สิ่งที่คุณควรรู้เกี่ยวกับมอเตอร์ไฟฟ้า

ผู้ชื่นชอบรถยนต์มักคลั่งไคล้เครื่องยนต์มาโดยตลอด แต่การใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นสิ่งที่ไม่อาจหยุดยั้งได้ และอาจจำเป็นต้องปรับปรุงความรู้ของบางคน

สิ่งที่คุ้นเคยมากที่สุดในปัจจุบันคือเครื่องยนต์สี่จังหวะซึ่งเป็นแหล่งพลังงานสำหรับรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินส่วนใหญ่เช่นเดียวกับเครื่องยนต์โรเตอร์สี่จังหวะ สองจังหวะ และ Wankel ของเครื่องยนต์สันดาปภายใน มอเตอร์รถยนต์ไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นมอเตอร์ซิงโครนัสและมอเตอร์อะซิงโครนัสตามความแตกต่างของโรเตอร์ มอเตอร์แบบอะซิงโครนัสเรียกอีกอย่างว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำ ในขณะที่มอเตอร์ซิงโครนัสมีแม่เหล็กถาวร และกระแสไปกระตุ้นมอเตอร์

สเตเตอร์และโรเตอร์

มอเตอร์รถยนต์ไฟฟ้าทุกประเภทประกอบด้วยสองส่วนหลัก: สเตเตอร์และโรเตอร์

สเตเตอร์▼

สเตเตอร์เป็นส่วนหนึ่งของมอเตอร์ที่ยังคงอยู่กับที่และเป็นตัวเรือนคงที่ของมอเตอร์ ซึ่งติดตั้งอยู่บนแชสซีเหมือนกับเสื้อสูบโรเตอร์เป็นชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้เพียงชิ้นเดียวของมอเตอร์ คล้ายกับเพลาข้อเหวี่ยง ซึ่งส่งแรงบิดออกผ่านระบบส่งกำลังและเฟืองท้าย

สเตเตอร์ประกอบด้วยสามส่วน: แกนสเตเตอร์ ขดลวดสเตเตอร์ และเฟรมร่องขนานจำนวนมากในตัวสเตเตอร์เต็มไปด้วยขดลวดทองแดงที่เชื่อมต่อถึงกัน

ขดลวดเหล่านี้มีเม็ดมีดทองแดงแบบกิ๊บเรียบร้อยซึ่งจะเพิ่มความหนาแน่นของการเติมช่องและหน้าสัมผัสแบบลวดต่อลวดโดยตรงขดลวดที่หนาแน่นช่วยเพิ่มความสามารถในการบิด ในขณะที่ปลายถูกเซอย่างเรียบร้อยมากขึ้น ช่วยลดความเทอะทะสำหรับแพ็คเกจโดยรวมที่เล็กลง

สเตเตอร์และโรเตอร์▼

หน้าที่หลักของสเตเตอร์คือการสร้างสนามแม่เหล็กหมุน (RMF) ในขณะที่หน้าที่หลักของโรเตอร์คือถูกตัดโดยเส้นแรงแม่เหล็กในสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนเพื่อสร้างกระแส (เอาท์พุต)

มอเตอร์ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสเพื่อกำหนดสนามที่กำลังหมุน และความถี่และกำลังของมอเตอร์จะถูกควบคุมโดยระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ตอบสนองต่อคันเร่งแบตเตอรี่เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ดังนั้นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังของรถยนต์ไฟฟ้าจึงรวมอินเวอร์เตอร์ DC-AC ที่จ่ายกระแสไฟ AC ที่จำเป็นให้กับสเตเตอร์เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กหมุนตัวแปรที่สำคัญทั้งหมด

แต่ก็ควรชี้ให้เห็นว่ามอเตอร์เหล่านี้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยเช่นกัน ซึ่งหมายความว่าล้อจะขับเคลื่อนโรเตอร์ที่อยู่ภายในสเตเตอร์ ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กหมุนไปในทิศทางอื่น โดยส่งพลังงานกลับไปยังแบตเตอรี่ผ่านตัวแปลง AC-DC

กระบวนการนี้เรียกว่าการเบรกแบบจ่ายพลังงานใหม่ ทำให้เกิดการลากและทำให้รถช้าลงการสร้างพลังงานใหม่เป็นหัวใจหลักไม่เพียงแต่ในการขยายขอบเขตของยานพาหนะไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมไปถึงรถยนต์ไฮบริดที่มีประสิทธิภาพสูงด้วย เนื่องจากการสร้างใหม่อย่างกว้างขวางช่วยปรับปรุงการประหยัดเชื้อเพลิงแต่ในโลกแห่งความเป็นจริง การฟื้นฟูไม่ได้มีประสิทธิภาพเท่ากับ "การกลิ้งรถ" ซึ่งหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงาน

EV ส่วนใหญ่อาศัยระบบเกียร์ความเร็วเดียวเพื่อลดการหมุนระหว่างมอเตอร์และล้อเช่นเดียวกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน มอเตอร์ไฟฟ้าจะมีประสิทธิภาพสูงสุดที่รอบต่ำและมีภาระสูง

แม้ว่ารถยนต์ไฟฟ้าอาจมีระยะทางที่เหมาะสมด้วยเกียร์เดียว แต่รถปิคอัพและรถ SUV ที่หนักกว่านั้นจะใช้ระบบเกียร์หลายสปีดเพื่อเพิ่มระยะที่ความเร็วสูง

EV แบบหลายเกียร์ไม่ใช่เรื่องแปลก และในปัจจุบัน มีเพียง Audi e-tron GT และ Porsche Taycan เท่านั้นที่ใช้ระบบเกียร์สองสปีด

มอเตอร์สามประเภท

โรเตอร์ของมอเตอร์เหนี่ยวนำถือกำเนิดขึ้นในศตวรรษที่ 19 ประกอบด้วยชั้นตามยาวหรือแถบวัสดุนำไฟฟ้า ซึ่งส่วนใหญ่เป็นทองแดงและบางครั้งก็เป็นอะลูมิเนียมสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนของสเตเตอร์จะเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในแผ่นเหล่านี้ ซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (EMF) ที่เริ่มหมุนภายในสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนของสเตเตอร์

มอเตอร์เหนี่ยวนำเรียกว่ามอเตอร์อะซิงโครนัสเนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเหนี่ยวนำและแรงบิดในการหมุนสามารถสร้างขึ้นได้เมื่อความเร็วของโรเตอร์ช้ากว่าสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนเท่านั้นมอเตอร์ประเภทนี้เป็นเรื่องปกติเนื่องจากไม่ต้องใช้แม่เหล็กหายากและมีราคาถูกในการผลิตแต่พวกมันสามารถกระจายความร้อนได้น้อยกว่าที่ภาระสูงอย่างต่อเนื่อง และโดยธรรมชาติแล้วจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าที่ความเร็วต่ำ

มอเตอร์แม่เหล็กถาวรโรเตอร์มีแม่เหล็กในตัว และไม่ต้องใช้พลังงานในการสร้างสนามแม่เหล็กของโรเตอร์ ตามชื่อเลยมีประสิทธิภาพมากกว่าที่ความเร็วต่ำโรเตอร์ดังกล่าวยังหมุนพร้อมกันกับสนามแม่เหล็กหมุนของสเตเตอร์ด้วย จึงเรียกว่ามอเตอร์ซิงโครนัส

อย่างไรก็ตาม การพันโรเตอร์ด้วยแม่เหล็กก็มีปัญหาในตัวเองประการแรก ต้องใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่ขึ้น และด้วยน้ำหนักที่เพิ่มขึ้น อาจทำให้ซิงค์กันด้วยความเร็วสูงได้ยากแต่ปัญหาที่ใหญ่กว่าคือสิ่งที่เรียกว่า "back EMF" ความเร็วสูง ซึ่งเพิ่มการลาก จำกัดพลังงานระดับบน และสร้างความร้อนส่วนเกินที่อาจทำให้แม่เหล็กเสียหายได้

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ มอเตอร์แม่เหล็กถาวรของรถยนต์ไฟฟ้าส่วนใหญ่มีแม่เหล็กถาวรภายใน (IPM) ที่เลื่อนเป็นคู่เข้าไปในร่องรูปตัว V ตามยาว ซึ่งจัดเรียงเป็นหลายแฉกใต้พื้นผิวของแกนเหล็กของโรเตอร์

ร่อง V ช่วยให้แม่เหล็กถาวรปลอดภัยที่ความเร็วสูง แต่สร้างแรงบิดฝืนระหว่างแม่เหล็กแม่เหล็กอาจถูกดึงดูดหรือผลักไสด้วยแม่เหล็กอื่นๆ แต่การไม่เต็มใจตามปกติจะดึงดูดกลีบของโรเตอร์เหล็กเข้ากับสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนอยู่

แม่เหล็กถาวรจะเข้ามามีบทบาทที่ความเร็วต่ำ ในขณะที่แรงบิดฝืนจะเข้ามาแทนที่ที่ความเร็วสูงโครงสร้างนี้ใช้พรีอุส

มอเตอร์กระตุ้นกระแสประเภทสุดท้ายเพิ่งปรากฏในรถยนต์ไฟฟ้าเท่านั้น ทั้งสองอย่างข้างต้นเป็นมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่าน ภูมิปัญญาดั้งเดิมถือว่ามอเตอร์ไร้แปรงถ่านเป็นเพียงทางเลือกเดียวสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและเมื่อไม่นานมานี้ BMW ได้ฝ่าฝืนบรรทัดฐานและติดตั้งมอเตอร์ซิงโครนัส AC แบบมีแปรงถ่านในรุ่น i4 และ iX ใหม่

โรเตอร์ของมอเตอร์ประเภทนี้มีปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนของสเตเตอร์ เหมือนกับโรเตอร์แม่เหล็กถาวร แต่แทนที่จะมีแม่เหล็กถาวร กลับใช้กลีบทองแดงกว้าง 6 กลีบที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ DC เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่จำเป็น .

ซึ่งต้องติดตั้งแหวนสลิปและแปรงสปริงบนเพลาโรเตอร์ บางคนกลัวว่าแปรงจะสึกหรอสะสมฝุ่นจึงละทิ้งวิธีนี้แม้ว่าชุดแปรงจะอยู่ในตู้แยกต่างหากพร้อมฝาปิดแบบถอดได้ ก็ต้องดูกันต่อไปว่าปัญหาการสึกหรอของแปรงคือปัญหาหรือไม่

การไม่มีแม่เหล็กถาวรช่วยหลีกเลี่ยงต้นทุนที่เพิ่มขึ้นของธาตุหายากและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการขุดโซลูชันนี้ยังทำให้สามารถเปลี่ยนแปลงความแรงของสนามแม่เหล็กของโรเตอร์ได้ ซึ่งทำให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพเพิ่มเติมได้อย่างไรก็ตาม การให้พลังงานแก่โรเตอร์ยังคงใช้พลังงานอยู่บ้าง ซึ่งทำให้มอเตอร์เหล่านี้มีประสิทธิภาพน้อยลง โดยเฉพาะที่ความเร็วต่ำ ซึ่งพลังงานที่จำเป็นในการสร้างสนามแม่เหล็กนั้นมีสัดส่วนที่ใหญ่กว่าของการใช้พลังงานทั้งหมด

ในประวัติศาสตร์โดยย่อของยานพาหนะไฟฟ้า มอเตอร์ซิงโครนัสกระแสสลับที่ตื่นเต้นในปัจจุบันนั้นค่อนข้างใหม่และยังมีพื้นที่อีกมากสำหรับแนวคิดใหม่ ๆ ที่จะพัฒนา และมีจุดเปลี่ยนที่สำคัญ เช่น การย้ายของ Tesla จากแนวคิดมอเตอร์เหนี่ยวนำไปสู่แบบถาวร มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กและเราเข้าสู่ยุคของรถยนต์ไฟฟ้าสมัยใหม่ไม่ถึงหนึ่งทศวรรษ และเราเพิ่งจะเริ่มต้นเท่านั้น