اختيار المحرك في السيارة الكهربائية: متزامن، غير متزامن ومغناطيس دائم

تُستخدم في السيارات الكهربائية ثلاثة أنواع رئيسية من المحركات: المحرك المتزامن بالمغناطيس الدائم (PMSM)، والمحرك غير المتزامن (الحثّي)، والمحرك المتزامن بالإثارة الخارجية (EESM). يقدم PMSM أعلى كفاءة وأعلى كثافة قدرة، ويتميز المحرك غير المتزامن بالمتانة وخلوّه من المغناطيسات، بينما يتميز EESM بتحكم دقيق في العزم؛ والاختيار بينها قرار هندسي يوازن بين الكفاءة والتكلفة والاعتماد على المعادن النادرة.

فيزياء المحرك: كيف يولّد المجال المغناطيسي الدوّار عزمًا؟

تعتمد جميع محركات الدفع على المبدأ الفيزيائي نفسه. الموصل الذي يمر به تيار يولّد مجالًا مغناطيسيًا؛ والتغير في هذا المجال يحثّ تيارًا جديدًا في موصل مجاور. قوة لورنتز المؤثرة على الجزء الدوّار تعمل في اتجاه عمودي على المجال المغناطيسي واتجاه الحركة، فتُدير الدوار. يكمن الفرق بين أنواع المحركات في مصدر هذا المجال المغناطيسي وفي كيفية علاقة الدوار بالمجال الدوّار.

لكل محرك مكونان أساسيان: الجزء الثابت الذي يُغذّى بتيار متردد ثلاثي الأطوار، والجزء الدوّار ستانتور (Stator) الدوّار روتور (Rotor). يولّد الستانتور مجالًا مغناطيسيًا دوّارًا يتحدد تردده بواسطة الإنفرتر. وما إذا كان الروتور متزامنًا مع هذا المجال أم متأخرًا عنه قليلًا هو ما يحدد فئة المحرك.

المحرك غير المتزامن (الحثّي): متين ورخيص وبدون مغناطيس

يتكون روتور المحرك غير المتزامن من هيكل "قفص السنجاب" المكون من قضبان من الألومنيوم أو النحاس مدمجة في صفائح حديدية. يحثّ المجال الدوّار للستانتور جهدًا وتيارًا في قضبان الروتور؛ ويُحدث المجال المغناطيسي الناتج عن هذه التيارات تفاعلًا مع مجال الستانتور فيولّد عزمًا. لا يستطيع الروتور أبدًا اللحاق بالمجال الدوّار: فسرعته الدورانية أقل دائمًا بقليل، ويُسمّى هذا الفارق الانزلاق (slippage). فبدون الانزلاق لا يوجد حثّ ولا عزم.

مزايا هذا البناء ملموسة: لا توجد مغناطيسات دائمة، ولا توجد تلامس انزلاقي، ومن ثمّ تكون الحاجة إلى الصيانة منخفضة وتكلفة الإنتاج معقولة، والمحرك متين. في المقابل تظل الكفاءة، خاصةً عند الأحمال الجزئية والسرعات المنخفضة، متأخرة عن التصاميم المتزامنة؛ إذ يعني إحداث تيار في الروتور فقدانًا مستمرًا. كما أن التحكم في السرعة أقل دقة ويتطلب حتمًا مُبدّل تردد للتحكم في المحرك.

موديلات Tesla القديمة Model S و Model X معروفة بمحركها غير المتزامن؛ وفي بعض النسخ القديمة استُخدم محرك غير متزامن على المحور الأمامي ومحرك متزامن بالمغناطيس الدائم على المحور الخلفي. أما على مستوى القطاع فبسبب ارتفاع أسعار النحاس وفجوة الكفاءة، تُنتقل حصة المحرك غير المتزامن ببطء ولكن بثبات إلى التصاميم المتزامنة.

المحركات المتزامنة: الروتور يدور مع المجال

في المحرك المتزامن، يدور الدوار بنفس سرعة المجال الدوار للجزء الثابت، وسرعة المحرك تعتمد مباشرة على تردد تيار الجزء الثابت. هذا الارتباط يوفر كفاءة عالية وكثافة قدرة عالية وتحكمًا دقيقًا في السرعة وسلوكًا ديناميكيًا جيدًا. منصة MEB الخاصة بشركة VW ونماذج مثل Audi وŠkoda وPorsche Taycan تعتمد على عائلة المحركات المتزامنة. غير أن "المتزامن" ليس تصميمًا واحدًا؛ إذ ينقسم إلى نوعين حسب مصدر المجال المغناطيسي.

المحرك المتزامن بالمغناطيس الدائم (PMSM): لماذا هي التقنية المهيمنة؟

في PMSM، تنتج المغناطيسات الدائمة المدمجة في الدوار مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا وقويًا دون الحاجة إلى إثارة خارجية. وبما أنه لا حاجة لإحداث تيار في الدوار، فإمكانية الكفاءة مرتفعة، إذ تقع الكفاءة القصوى ضمن النطاق المُعلن بين 93-95% و95-98%. وتنشأ الاختلافات في القيم عن اختلافات القياس والتعريف: فنقطة السرعة والحمل التي تُعتبر "القمة" تختلف من شركة مصنعة إلى أخرى. النقطة الأهم ليست القيمة القصوى، بل قدرة PMSM على البقاء في منطقة الكفاءة العالية في معظم ظروف استخدام السيارة النموذجية - ففي السرعات المنخفضة والمتوسطة تبرز الكفاءة وكثافة القدرة بشكل واضح.

لكن لهذه الكفاءة ثمن: فالمغناطيسات العناصر الأرضية النادرة هي عنصر التكلفة الرئيسي في PMSM. كما أنه يحمل خطر إزالة المغنطة عند درجات الحرارة العالية؛ ولهذا فإن إدارة الحرارة قضية حاسمة في التصميم. BMW i3 وVW ID.3 وID.4 ونماذج Nissan Leaf الجديدة من الأمثلة المعروفة التي تستخدم PMSM.

تصميم القطبية الداخلية (IPM): لماذا تكون المغناطيسات داخل الدوار؟

في محركات IPM، لا تُركّب المغناطيسات على سطح الدوار بل تُدمج داخل الدوار. يتيح هذا التوزيع استخدامًا أفضل للتدفق المغناطيسي، ويزيد كثافة القدرة، ويوسع نطاق السرعة القابل للاستخدام، ويقلل الحساسية لإزالة المغنطة. وفي المقابل، يكون إنتاج الدوار معقدًا. المحور الخلفي لـ Porsche Taycan وAudi e-tron GT هي تطبيقات طريقية لهذا التصميم.

المحرك المتزامن بالإثارة الخارجية (EESM): الحل المتزامن بدون مغناطيس

في EESM، يُنتَج المجال المغناطيسي للدوار بواسطة لفيفة منفصلة ومصدر طاقة إضافي بدلًا من المغناطيس الدائم. هذا يمنح المهندس مجال تحرك كبيرًا: يمكن ضبط شدة مجال الدوار حسب ظروف التشغيل، والتحكم في العزم والسرعة ممتاز، ويُتحصل على نطاق سرعة واسع في منطقة إضعاف المجال (field weakening). كفاءته أقل قليلًا من PMSM والتصميم أكثر تعقيدًا؛ فهو يتطلب في التطبيق الكلاسيكي حلقات انزلاقية أو فرشًا. وهو بنية تشهد اهتمامًا متجددًا اليوم لأنها تلغي الاعتماد على العناصر الأرضية النادرة.

محركات الارتياح: دوار بدون لفائف أو مغناطيس

في محركات الارتياح، ينشأ العزم من ميل أساسي أكثر: فالتدفق المغناطيسي يختار دائمًا المسار الأقل مقاومة مغناطيسية (ارتياحًا). يحاول الدوار الدوران نحو هذا الموضع منخفض المقاومة فيظهر العزم. لا توجد في الدوار لا لفائف ولا مغناطيس - وبالتالي لا مجال للعناصر الأرضية النادرة ولا لفقد في الدوار. وله نوعان رئيسيان: محرك الارتياح المبدّل (SRM) ومحرك الارتياح المتزامن (SynRM).

التكلفة في جانب التحكم: إلكترونيات التحكم معقدة، والضوضاء وتذبذب العزم واضحان في SRM. ومع ذلك، تظل مزايا التكلفة والاستدامة كبيرة؛ ومع تطور إلكترونيات التحكم يُتوقع انتشار هذه المحركات. وتشير مراجعة أكاديمية إلى أن SRM مناسبة للمركبات الكهربائية بفضل وزنها المنخفض وموثوقيتها العالية وقدرتها على تحمل الأعطال.

أما التطبيق الأكثر إثارة في الميدان فهو النهج الهجين: في Tesla Model 3 و Model Yيُدمج عزم المغناطيس الدائم مع عزم الممانعة. كما تعتمد Hyundai Kona Electric أيضاً على تقنية الممانعة. وتصميم SRIPM الذي يجمع الممانعة مع مغناطيس داخل القطب يقلل التكلفة والاعتماد على المعادن النادرة باستخدام مغناطيس أقل من PMSM؛ فبينما تتقدم PMSM في الكفاءة القصوى والسرعات العالية، تتميز SRIPM بتوازنها ومتانتها وفعاليتها من حيث التكلفة في ظروف تشغيل متنوعة.

الكفاءة والأداء: المقارنة بالأرقام

أرقام الكفاءة وحدها مضللة؛ والسؤال الحقيقي هو مدى كفاءة المحرك في منطقة السرعات المنخفضة والمتوسطة التي تمثل ملف الاستخدام الفعلي للمركبة. ويلخص الجدول التالي خصائص أنواع المحركات الثلاثة الرئيسية.

يجب وضع مقياس الأرقام في سياقها الصحيح: فرق الكفاءة الذي يبدو بنسبة 5-7% يتضخم عندما ينعكس على حجم البطارية اللازم للحفاظ على المدى نفسه. ومثال ملموس يوضح مدى إتقان PMSM لذلك - محرك Model 3الهجين المغناطيسي-الممانعة ببطارية سعة 75 kWh حقق مدى يعادل 100 kWh ذات السعة Model S 100D. وفي المقابل، للمحرك غير التزامني دور كفاءة فريد أيضاً: المحرك غير التزامني على المحور الأمامي في Model 3 من طراز AWDيمكنه الدوران بحرية دون استهلاك كهرباء فعلي عندما لا تكون هناك حاجة لتشغيله، مما يمنح المركبة رباعية الدفع ميزة مدى غير متوقعة.

الاعتماد على المعادن النادرة: قضية تعيد تشكيل القطاع

هيمنة PMSM على السوق متشابكة مع جغرافيا المواد. فإمدادات عناصر المعادن النادرة يسيطر عليها بلد واحد إلى حد كبير؛ وقد دفع هذا الاعتماد المصنّعين إلى التحرك في اتجاهين. النهج الأول الذي حددته IEEE Spectrum هو تطوير مغناطيسات دائمة خالية من المعادن النادرة (مثل البدائل القائمة على الحديد)؛ والثاني هو التوجه نحو أنواع محركات خالية تماماً من المغناطيس - غير التزامنية أو الممانعة.

الأمثلة لافتة: انتقلت Tesla في 2017 إلى محركات قائمة على المعادن النادرة، لكنها أعلنت أن محركات جيلها الجديد ستكون خالية من المعادن النادرة أيضاً. وتويوتا، خوفاً من نقص التوريد، حتى 50% تطوير محركات تحتوي على معادن نادرة أقل. سرّعت الهند اختبارات المحركات عالية الكثافة من نوع الريكتانس التي تنتج القوة المغناطيسية بملفات معدنية ملفوفة بإحكام بدلاً من المغناطيس، في مواجهة قيود التصدير الصينية. والمثير للاهتمام أن السوق يواصل استثماره في المحركات ذات المغناطيس الدائم وسط هذا التوتر بين الكفاءة وتكلفة المواد: فالكثافة العالية في القوة وعزم الدوران لا تزال، في الوقت الحالي، ذات قيمة تكفي لموازنة التكلفة.

العاكس وإلكترونيات القدرة: ما الذي يحدد حقاً شخصية المحرك؟

البطارية تورد تياراً مستمراً (DC)، بينما يغذى محرك الجر بالتيار المتردد (AC). والعاكس هو من يقوم بالتحويل بينهما؛ إذ يُنتَج خرج تيار متردد منتظم عبر تعديل عرض النبضة (PWM)، ويعتمد التشغيل الفعال للمحرك على جودة هذا الخرج. وكل تطور في العاكس ينعكس مباشرة على المدى والأداء والتكلفة. وصوت الطنين عالي التردد الذي يُسمع أثناء القيادة يأتي تحديداً من هذا التبديل عالي التردد.

يتيح العاكس أيضاً توجيه عزم الدوران في المركبات متعددة المحركات: يُتحكم في كل محرك عبر عاكس مستقل، ويُوزَّع عزم الدوران بين المحاور بدقة. كما توفر إلكترونيات القدرة القائمة على SiC (كربيد السيليكون) وGaN (نيتريد الغاليوم) تردد تبديل أعلى وفقداناً أقل وكفاءة أعلى. ومن ناحية أخرى، فإن للمعمارية عالية الجهد ثمناً على جانب المحرك أيضاً: فالمحركات التي تعمل عند 800 فولت وأكثر تكون أكثر عرضة للتفريغ الجزئي، مما قد يؤثر سلباً على عزل الملفات. واتجاه القطاع هو التكامل - ملفات hairpin، والتبريد بالزيت، ووحدات القيادة المتكاملة التي تجمع المحرك وناقل الحركة وإلكترونيات القدرة في وحدة واحدة.

أي محرك في أي مركبة: كيف يُتَّخذ قرار الاختيار؟

اختيار المحرك ليس البحث عن "أفضل" خيار واحد، بل هو مسألة ترتيب الأولويات:

• المركبات التي تعطي الأولوية للمدى والكفاءة: PMSM أو IPM؛ الكفاءة الفائقة في نطاق السرعات المنخفضة إلى المتوسطة تعوض تكلفة البطارية.
• المركبات التي تعطي الأولوية للأداء والتحكم الدقيق: عائلة المحركات التزامنية؛ كثافة القدرة العالية والسلوك الديناميكي الجيد هما العامل الحاسم.
• المركبات رباعية الدفع متعددة المحركات: مزيج من محرك مغناطيسي على المحور الخلفي ومحرك غير تزامني على المحور الأمامي؛ كفاءة من المحرك المغناطيسي عند السرعات المنخفضة إلى المتوسطة، وسحب شبه معدني من المحرك غير التزامني غير المستخدم.
• المصنّعون الذين يواجهون مخاطر في سلسلة التوريد: تصاميم تعتمد على EESM أو الممانعة؛ إلغاء الاعتماد على العناصر الأرضية النادرة.

النتيجة هي توازن هندسي واضح: يهيمن PMSM اليوم لأنه في ذروة الكفاءة والاكتناز، ويستمر المحرك غير التزامني في البقاء في أدوار معينة بفضل متانته وخلوه من المغناطيسات، بينما ترتفع تصاميم EESM والممانعة لأسباب تتعلق بالأداء وأمن التوريد معاً. عند النظر إلى مقياس مدى أي مركبة كهربائية، فإن السؤال عن نوع المحرك لا يقل أهمية عن السؤال عن سعة البطارية.

المصادر

• Electric motors in electric vehicles: An overview
• Powerful and Efficient Electric Motor Technology
• Review of Traction Motors for Electric Vehicle Application
• PMSM vs Induction Motor: 3 Decisions That Save Your EV
• PMSM vs Induction Motor Performance for EV
• China's rare-earth dominance keeps EV makers dependent
• India revs up alternate EV motor tests as China curbs rare earths
• Developing electric motors less dependable on rare earth magnets
• How to Build EV Motors Without Rare Earth Elements
• The EV Market Doubles Down on Permanent Magnets
• What Is an Inverter in an Electric Vehicle?
• EV Inverter Technology: Latest Advances and Trends
• Two Types of Tesla Model 3 Motors
• Permanent Magnet Motor in Model 3 Tesla