موتورهای شار محوری بدون عناصر خاکی کمیاب خودروهای برقی

پاشنه آشیل زنجیره تامین جهانی؛ بحران فلزات خاکی کمیاب نئودیمیوم و دیسپروزیوم

در طول یک دهه جهش خودروهای برقی، موتورهای سنکرون آهنربای دائم (PMSM) به دلیل چگالی توان بالا و اندازه جمع‌وجور، به عنوان گزینه بلامنازع پیشرانه پذیرفته شده بودند. با این حال، تکیه‌گاه اصلی این موتورها، آهنرباهای نئودیمیوم-آهن-بور (NdFeB) تقویت‌شده با دیسپروزیوم و تربیوم بود. استخراج و پالایش این عناصر خاکی کمیاب نه تنها با فجایع زیست‌محیطی شدید، مصرف مواد شیمیایی سمی و انتشار رادیواکتیو همراه است، بلکه تمرکز بیش از ۸۵ درصد از فرآوری آن در دست یک کشور، صنعتی‌سازان غربی و شرقی را با ریسک‌های ژئوپلیتیکی و نوسانات سرسام‌آور قیمت مواجه ساخته بود.

علاوه بر آسیب‌پذیری‌های زنجیره تامین، موتورهای آهنربایی در دماهای بالای کاری (فراتر از ۱۸۰ درجه سلسیوس) و تحت بارهای سنگین مداوم اتوبان‌ها دچار پدیده «وامغناطیس‌شدگی حرارتی» (Thermal Demagnetization) می‌شدند. برای مقابله با این پدیده، خودروسازان مجبور به تعبیه سیستم‌های خنک‌کاری روغنی بسیار پیچیده و محدود کردن دور موتور به کمتر از ۱۶ هزار دور در دقیقه بودند؛ رویکردی که وزن و قیمت تمام‌شده قوای محرکه را بالا می‌برد.

تلاش برای غلبه بر این محدودیت‌ها، پیوندی عمیق با دستاوردهای معرفی‌شده در انقلاب شارژ دوطرفه خودرو به شبکه V2G با مبدل‌های GaN دارد؛ جایی که کارایی سیستم الکتریکی، اتلاف انرژی را در تمامی گره‌ها به حداقل می‌رساند.

معماری رلوکتانس همگام شار محوری (Axial Flux SynRM) و روتورهای نانوبلورین آمورف

امروزه مهندسان الکترومغناطیس با ادغام دو شاخه پیشرفته مهندسی موتور، معجزه «موتورهای شار محوری رلوکتانس همگام» (Axial Flux Synchronous Reluctance Motors - SynRM) را به خطوط تولید تجاری آوردند. موتورهای رلوکتانس برخلاف موتورهای متداول، برای تولید چرخش به هیچ آهنربای دائمی متکی نیستند، بلکه از تمایل ذاتی خطوط شار مغناطیسی به عبور از مسیرهایی با کمترین مقاومت مغناطیسی (کمترین رلوکتانس) بهره می‌برند. چالش سنتی این موتورها، ضریب توان پایین‌تر و گشتاور کمتر نسبت به موتورهای آهنربایی بود.

جهش انقلابی دوران کنونی با ورود «فلزات شیشه‌ای آمورف و نانوبلورین» (Nanocrystalline Soft Magnetic Composites) محقق شد. دیسک روتور به جای ورقه‌های فولاد سیلیکونی سنتی، از نوارهای فویل نانوبلورین با ضخامت تنها ۲۰ میکرومتر ساخته شده است که از طریق برش لیزری فمتوثانیه با الگوهای هندسی باریک چندشاخه‌ای شکل یافته‌اند. این آلیاژها نفوذپذیری مغناطیسی خارق‌العاده‌ای دارند و اتلافات جریان گردابی (Eddy Current Losses) را تا ۸۰ درصد کاهش می‌دهند؛ در نتیجه، موتور شار محوری بدون آهنربا موفق به تولید چگالی گشتاوری رکوردشکن فراتر از ۴۸ نیوتن‌متر بر کیلوگرم شده است که حتی بالاتر از بهترین موتورهای آهنربایی نسل پیشین قرار می‌گیرد.

این ساختار نوین دیسکی، تکامل‌یافته مفاهیم توسعه داده‌شده در موتورهای دوگانه شار محوری با سیم‌پیچ‌های مس-گرافن است که نشان می‌دهد دگرگونی در هندسه شار و خواص فیزیکی مواد، کلید تسخیر اوج راندمان است.

پایداری حرارتی ۲۵ هزار دور در دقیقه، اینورترهای ۹۰۰ ولتی کاربید سیلیکون و بازدهی ۹۸.۸٪

به دلیل عدم وجود آهنربای دائم در روتور، خطر وامغناطیس‌شدگی به طور کامل از بین رفته است. این امر به موتور امکان می‌دهد در دماهای فراتر از ۲۴۰ درجه سلسیوس و در سرعت‌های دورانی شگفت‌انگیز ۲۵ هزار دور در دقیقه به صورت پیوسته کار کند، بدون آن‌که کوچک‌ترین افتی در راندمان پیشرانه رخ دهد. این سرعت دورانی بالا باعث می‌شود تا سازندگان خودرو بتوانند از گیربکس‌های تک‌سرعته بسیار کوچک‌تر و سبک‌تر بهره ببرند و فضای کابین و صندوق عقب را گسترش دهند.

همگام‌سازی این موتورها با اینورترهای کششی نسل سوم بر پایه نیمه‌هادی‌های پهن‌باند سیلیکون کاربید (SiC) و معماری ولتاژ بالای ۹۰۰ ولت، فرکانس سوئیچینگ را به بالای ۸۰ کیلوهرتز رسانده است. الگوریتم‌های کنترل شار میدانی با مدولاسیون بردار فضایی در لحظه، کمترین نوسان گشتاور (Torque Ripple کمتر از ۱.۲ درصد) را ایجاد می‌کنند که سواری کاملاً بی‌صدا و روانی را برای سرنشینان به ارمغان می‌آورد. راندمان تبدیل انرژی این پیشرانه در چرخه آزمایشگاهی WLTP به عدد بی‌سابقه ۹۸.۸ درصد رسیده است.

همبستگی میان مبانی علم مواد در پیشرانه‌های برقی با دستاوردهای فیزیک ذرات در کیوبیت‌های توپولوژیک بر پایه فرمیون‌های مایورانا، نشان می‌دهد چگونه درک بنیادین از دینامیک الکترومغناطیسی جهان، موانع فنی صنایع گوناگون را یکی پس از دیگری درمی‌نوردد.

تاثیرات استراتژیک بر قیمت خودروهای برقی و استقلال صنعتی خودروسازان

پیامد اقتصادی این دگرگونی فنی عمیق و فوری است؛ حذف کامل نئودیمیوم، دیسپروزیوم و کبالت از قوای محرکه، هزینه ساخت موتور الکتریکی را بیش از ۴۰ درصد کاهش داده است. این صرفه‌جویی مالی عظیم، خودروسازان را قادر می‌سازد خودروهای الکتریکی پرچمدار با شتاب زیر ۳ ثانیه و مصرف باتری بهینه را با قیمت‌هایی اقتصادی و در مقیاس میلیون‌ها دستگاه به بازارهای مصرف عمومی عرضه نمایند.

دوران کنونی مقطعی تاریخی است که در آن مهندسی پیشرانه خودرو از بند انحصارهای معدنی رها شد. موتورهای شار محوری رلوکتانس همگام اثبات کردند که نبوغ مهندسی و نوآوری در ریاضیات میدان‌های مغناطیسی، قادر است هم‌زمان بالاترین استانداردهای پرفورمنس اسپرت و پایدارترین اصول اخلاقی زیست‌محیطی را محقق سازد.