لماذا تفشل محركات السيارات الكهربائية؟

الهمس الكهربائي للمحرك الكهربائي ليس غموضاً، بل هو بصمة موسيقية للقوى المغناطيسية وترددات تبديل العاكس التي ترتفع معاً بسرعة.
الهمس الكهربائي للمحرك الكهربائي ليس غموضاً، بل هو بصمة موسيقية للقوى المغناطيسية وترددات تبديل العاكس التي ترتفع معاً بسرعة.

شارك هذه الصفحة

خفوت المحرك الكهربائي هو مزيج من مصدرين فيزيائيين: النغمات الكهرومغناطيسية الناتجة عن القوى المغناطيسية داخل المحرك وصوت التبديل عالي التردد في العاكس؛ ويُضاف إليهما المساهمة الميكانيكية لصندوق التروس المخفض والمحامل. مع التسارع يرتفع طبقة الخفوت لأن هذه النغمات تنزاح في التردد بتناسب مع سرعة الدوران. يعمل المصنّعون على تلطيف هذا الصوت من خلال التبديل بطيف انتشاري، ومنع الضوضاء النشط، والتصميم الصوتي، أو على تشكيله بشكل متعمد.

أبرز النقاط

  • تنشأ الضوضاء الناتجة عن التبديل عادةً في نطاق 5-15 كيلوهرتز ، أي في المنطقة التي يكون فيها الأذن البشرية في أكثر حالاتها حساسية.
  • مثال على الحساب: عند 4500 دورة/دقيقة تنتج التوافقية رقم 24. نغمة بتردد 1800 هرتز.
  • التبديل بطيف انتشاري يوزّع طاقة الضوضاء النغمية على الطيف الترددي، مما يخفض المستوى الأقصى.
  • في الاتحاد الأوروبي، أصبح صوت التحذير الاصطناعي (AVAS) إلزامياً عند السرعات المنخفضة منذ 2014.

عند تشغيل محرك احتراق داخلي، فإن مصدر الصوت لا شك فيه: الانفجارات، وعادم العادم، والحركة الميكانيكية. أما عند ركوب مركبة كهربائية، فتختفي معظم الضوضاء المألوفة، ويحل محلها خفوت حاد ونغمي يرتفع بسرعة. هذا الصوت مميز لدرجة أن كثيرين يفترضون أنه مصدره المحرك نفسه. وهذا صحيح جزئياً؛ لكن الجزء الأكثر إثارة في القصة هو أن جزءاً كبيراً من الصوت ليس من عمل المحرك بل من عمل إلكترونيات القدرة التي تشغّله. من الناحية الهندسية، هذا الخفوت ليس في الحقيقة دليلاً على عطل، بل دليل سمعي على عمل النظام بشكل صحيح.

من أين يأتي صوت الخفوت في المركبات الكهربائية؟

Elektrikli motorun ötmesi tesadüf değil; besleme frekansının katlarındaki titreşimler metal gövdeyi bir enstrüman gibi çalar.

يُصنَّف أصل الخفوت تحت ثلاثة عناوين رئيسية. الأول هو الضوضاء الكهرومغناطيسية: التيار الكهربائي الداخل إلى المحرك يُنشئ مجالاً مغناطيسياً بين الدوّار والساكن؛ وهذا المجال يؤدي إلى تذبذب القوى في الفجوة الهوائية، والقوى المتذبذبة تُهزّ جسم المحرك. كل بنية مهتزة تُصدر صوتاً. وطابع هذه الضوضاء ثابت ونغمي، لأن ترددها تتحدد مباشرة بتردد التغذية الكهربائي ومضاعفاته - أي توافقياتها.

المصدر الثاني هو العاكس. إلكترونيات القدرة التي تحوّل التيار المستمر للبطارية إلى تيار متناوب مناسب للمحرك تعمل بفتح وإغلاق الترانزستورات بسرعات عالية جداً؛ وتولّد عملية التبديل ضوضاء عند تردد التبديل ومضاعفاته؛ وتشير القياسات إلى أن هذا النطاق يقع عادةً في نطاق 5-15 كيلوهرتز. وأذننا هي الأكثر حساسية في هذا النطاق تماماً - ولهذا السبب يشعر المرء بأن خفوت المركبة الكهربائية مزعج رغم أن طاقته الصوتية المطلقة منخفضة. وتذبذبات القوى الناتجة عن التبديل تُحدث أيضاً اهتزازات هيكلية؛ وهو ما يضيف إحساساً لمسياً يُدرك جنبًا إلى جنب مع الصوت. (هذا الإحساس في الواقع يتسرب أيضاً إلى داخل المقصورة: يمكن قياس آثار ثلاث تقنيات PWM مختلفة على الضوضاء والاهتزاز والصلابة كلٌّ على حدة.)

العنوان الثالث هو الضوضاء الميكانيكية: صندوق التروس المخفض والمحامل. محركات السيارات الكهربائية، على عكس محركات الاحتراق الداخلي، يمكن أن تصل إلى عشرات الآلاف من الدورات، لذا تدور هذه المكونات بسرعات دوران مرتفعة جداً. في المحركات ذات المغناطيس الدائم، يكون مصدر الهمهمة الإلكترونية المنتظمة المصاحبة للسرعة هو عادةً تطبيق موجة تبديل العاكس على المحرك؛ وفي بعض المحركات يُسمع نغمة كهرومغناطيسية معروفة من الدرجة الثامنة، وشكلها الخفيف طبيعي تماماً.

كيف يحدد تردد التبديل الصوت؟

لفهم البصمة الصوتية للعاكس، يجب النظر إلى منطق PWM - التضمين بعرض النبضة. تفتح الترانزستورات وتغلق عند تردد ثابت، ويتم ضبط متوسط الجهد المطبق على المحرك بتغيير زمن البقاء مفتوحاً (دورة التشغيل) في كل دورة. ما يصل إلى الأذن هو عملية الدوران هذه: صوت همهمة بنغمة ثابتة وطابع إلكتروني. هذه النغمة القصيرة الثابتة التي تُسمع في العديد من السيارات الكهربائية قبل بدء التسارع هي بالضبط صوت التشغيل الطبيعي لدورة PWM؛ وبعدها ترتفع النغمة أثناء تسارع السيارة.

انزياح النغمة مع الدورات نتيجة حسابية محضة. التردد الكهربائي المطبق على المحرك يزداد تناسباً مع الدورات، وتهتز القوى الكهرومغناطيسية عند توافقيات هذا التردد. لنأخذ مثالاً ملموساً: توافقية من الدرجة 24 عند 4500 rpm تقابل 1800 Hz. هذه المكونات النغمية تنتج من القوى المغناطيسية في الفجوة الهوائية ضوضاء نغمية وضوضاء عريضة النطاق معاً. أي أن ارتفاع نغمة الصوت المسموع مع زيادة السرعة ليس عيباً، بل ضرورة فيزيائية.

هناك توتر هندسي بين الحفاظ على تردد التبديل ثابتاً وجعله متغيراً. التردد الثابت يجعل ترشيح التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) قابلاً للتنبؤ؛ لكنه يؤدي إلى بقاء ضوضاء عالية النغمة ونغمية ومزعجة عند النقطة نفسها دائماً. أما استراتيجيات PWM ذات تردد التبديل المتغير فتُستخدم لتقليل خسائر تبديل العاكس وضوضاء النظام معاً. هذا التوازن ما زال مجال تطوير نشطاً؛ وتندرج ضمن الحلول التقنية المسجلة حديثاً طرق جديدة تتحكم ديناميكياً في ترددات تبديل العاكس لتحسين جودة الصوت.

التروس والمحامل: تشريح الهمهمة الميكانيكية

ناقل الحركة في المركبة الكهربائية هو عادة مخفض أحادي المرحلة، لكنه ليس صندوقاً مغلقياً تماماً من حيث الضوضاء. لضوضاء التروس آليتان رئيسيتان: خطأ الإرسال والاهتزاز الاحتكاكي الناتج عن أسطح تعشيق التروس. عند تلامس الأسنان مع بعضها، يتحد التلامس المعدني-المعدني مع انحرافات مجهرية في تلامس الأسنان، وينتقل اهتزاز التعشيق الناتج من جسم المخفض إلى المقصورة. الزيت يخفي جزئياً الصوت الناتج عن هذا التلامس؛ ولذلك فليس من المستغرب أن يكون الصوت أكثر وضوحاً في الصباح، لأن لزوجة الزيت تتغير في الطقس البارد.

في جانب التصميم، السلاح الأكثر فعالية هو التروس الحلزونية. على عكس التروس المستقيمة، تشكل الأسنان الحلزونية تلامساً تدريجياً متتالياً، وهذا النعومة في الانتقال يقلل الضوضاء بشكل ملحوظ؛ إحدى الطرق القياسية لتقليل الضوضاء في ناقلات الحركة للسيارات الكهربائية.

أما المحامل فهي جزء من الصوت لسببين. ميكانيكياً، قد يكون مصدر الصصفير العالي هو محامل المحرك أو مجموعة التروس المخفضة؛ وأي ارتفاع في مستوى الصوت أو تغير في طابعه مؤشر إنذار مبكر جيد لصحة المحامل. كهربائياً، في المحركات التي يقودها العاكس قد يؤدي التبديل عالي التردد إلى تلف كهربائي في مقاعد المحامل - أي أن هذه المكونات هي مصدر الصوت وموضوع القصة التي يرويها الصوت في آن واحد. الأنين المميز الذي تصدره المحركات تحت الحمل بغض النظر عن الحمل يدخل أيضاً ضمن هذه المساهمة الميكانيكية؛ أما ضوضاء مروحة التبريد فتعتمد على سرعة المحرك لكنها مستقلة عن الحمل.

هل يغير نوع المحرك من طابع الصوت؟

الجواب المختصر: نعم، وبدرجة قابلة للقياس. في المحركات التزامنية بمغناطيس دائم يكون المجال المغناطيسي للدوار جاهزاً بالاعتماد على المغناطيسات لا على محاثة الجزء الثابت؛ وهذا يوفر كفاءة أعلى وكثافة عزم أكبر. وبفضل قدرتها على إنتاج عزم ثابت دون تقلبات في دورة العزم، يمكن تصميم هذه المحركات لتكون هادئة جداً ومنخفضة الاهتزاز. من ناحية أخرى، فإن تشغيل المحركات بمغناطيس دائم يتطلب بالضرورة عاكساً - أي أن صوت التبديل حاضر دائماً في الدائرة. في هذه المحركات، السببان الرئيسيان للاهتزاز والضوضاء هما العوامل الإلكترونية والميكانيكية؛ وتكوينات الأقطاب والأخاديد، أي تطابق عدد أقطاب الدوار مع عدد أخاديد الجزء الثابت، هي محور أبحاث NVH.

أما المحركات اللا تزامنية فتنتج المجال المغناطيسي للدوار بالحث؛ وهي عموماً أكبر وأثقل وأقل كفاءة لكن تكلفتها منخفضة. وطابع صوتها يختلف تبعاً لذلك: يمكن سماع مكونات إضافية مرتبطة بتردد الانزلاق. تأثير تصميم المحرك على الصوت لا يقتصر على نوع المحرك فقط؛ فمعايير التصميم مثل ميل الدوار، وتخديش الجزء الثابت والدوار، وعرض فتحة الأخدود، تحدد بشكل مباشر شكل موجة القوة في الفجوة الهوائية، وتُعد من الطرق الكلاسيكية لتقليل الضوضاء.

الطيف المنتشر: تقنية تُبدّد الصوت

من أرقى حلول الضوضاء النغمية الناتجة عن التبديل هي تقنية التبديل بالطيف المنتشر، والتي تعود أسسها النظرية إلى عام 1992. المنطق بسيط: تقوم عمداً بتضمين تردد تبديل العاكس. وهكذا تتناثر طاقة الضوضاء المتراكمة في نطاق ضيق على طيف أوسع، فتنخفض طاقة القمة عند أي تردد منفرد. الأذن تدرك النغمة المركزة في نطاق ضيق كمزعجة بشكل أكبر بكثير، أما الهمهمة العريضة والخفيفة فتتحملها بسهولة. لقد أثبتت هذه التقنية فاعليتها أيضاً في تقليل التداخل الكهرومغناطيسي EMI في مصادر القدرة المبدّلة؛ حيث يمكنها إزالة الضوضاء المسموعة عند الخرج وتقليلها بشكل كبير عند الدخل.

مكانة هذه التقنية في عالم السيارات الكهربائية آخذ في النمو. فالجهود العالية والعدد الكثيف من الرقائق في السيارات الكهربائية يجعلان النظام حساساً بشكل خاص للتداخل الكهرومغناطيسي؛ لقد تم أيضًا تطوير تقنيات مستشعرات ذكية تكتشف هذا الحساسية وتعمل على تقليلها. إن طرق جودة الصوت التي تتحكم ديناميكيًا في تردد التبديل هي امتداد لنفس فلسفة انتشار الطيف: بدلًا من نغمة ثابتة ويمكن التنبؤ بها، ضجيج منتشر في الطيف أو متموضع بشكل ديناميكي.

منع الضجيج النشط والتصميم الصوتي المقصود

هناك أيضًا تقنيات تحاول إلغاء الصوت بالكامل. مبدأ منع الضجيج النشط كلاسيكي: تُنتج موجات صوتية بذات السعة ولكن بطور معاكس لمصدر الضجيج، فتُلغي الموجتان إحداهما الأخرى. تختلف مهمة هذا النهج في المركبات الكهربائية عنها في المركبات ذات محرك الاحتراق الداخلي. فالضجيج الكلاسيكي للمحرك غير موجود أصلًا؛ والطاقة الصوتية لضجيج المحركات الكهربائية عالي التردد منخفضة نسبيًا. لذلك تراقب الأنظمة الحديثة باستمرار ضجيج البيئة الداخل إلى المقصورة من الطريق والرياح والإطارات، وتنتج موجة معاضة. كثير من المصنّعين يقدمون حلولًا جاهزة في هذا المجال؛ وفي بعض الطُرز، لا يقتصر التصميم الصوتي النشط على كبت الضجيج، بل يضيف أيضًا طابعًا صوتيًا مقصودًا للمقصورة.

لكن ماذا عن الصوت من الخارج؟ بما أن ضجيج المحرك الكهربائي منخفض، قد لا يتمكن المشاة من سماع وجود المركبة عند السرعات المنخفضة. لهذا أصبحت أصوات التحذير الاصطناعية المصممة - AVAS - لإبلاغ المشاة عن وجود المركبات الهجينة والكهربائية معيارًا: صوت تحليق يشبه حركة الهواء، يُنتج عبر مكبرات الصوت عند السرعات المنخفضة. لقد ربط الاتحاد الأوروبي هذه الأصوات بقراره الذي جعلها إلزامية في 2014 ؛ وفي الولايات المتحدة أيضًا الصوت الاصطناعي إلزامي تحت سرعات معينة. يتطور التصميم الصوتي كتخصص يجمع بين هذا الإلزام المتعلق بالسلامة وتجربة المستخدم - وهنا أيضًا تجد كل علامة تجارية فرصة لخلق بصمتها الصوتية الخاصة.

متى يكون الأزيز طبيعيًا ومتى يكون مشكلة؟

قاعدة تقريبية: الأزيز المنتظم الناتج عن السرعة والمميز بنغمة أمر طبيعي. الارتفاع في النغمة مع التسارع هو انزياح ترددي طبيعي للتوافقيات الكهرومغناطيسية؛ أما الصفير الإلكتروني الثابت النغمته فهو صوت عمل العاكس. أما الحالات التالية فتستحق الإنصات:

  • إذا ظهر الأزيز حديثًا أو ارتفع بشكل ملحوظ مقارنةً بالسابق،
  • إذا صاحب الصوت اهتزاز أو فقدان في القوة،
  • إذا تغير طابع الصوت بشكل غير متوقع مع السرعة والحمل.

تشير هذه الأعراض إلى الجانب الميكانيكي - وخاصةً المحامل ومجموعة تروس صندوق التروس المخفض. إن قياس الأزيز وسيلة عملية لمراقبة صحة المحامل؛ وإجراء فحص عند تغير الصوت يتيح فرصة للتدخل قبل أن يكبر العطل.

مصدر الصوتالطابعالعلاقة بالسرعة
القوى الكهرومغناطيسيةنغمي، بتوافقياتينزاح التردد مع دورات المحرك
تبديل العاكسصفير إلكتروني، نطاق 5-15 كيلوهرتزيعتمد على تردد التبديل
صندوق التروس المخفضأزيز التروسيتناسب مع نسبة التروس
المحاملنغمة عالية، أحيانًا بتلف كهربائييزداد مع الدورات، وتغيره علامة عطل
مروحة التبريدحفيف المروحة / همهمةتزداد مع السرعة، بمعزل عن الحمل

الأزيز ليس عيبًا بل مجال تصميمي

أزيز المحرك الكهربائي ليس خطأً في قطعة واحدة؛ بل هو تراكم مساهمات القوى الكهرومغناطيسية وتبديل العاكس والتروس والمحامل. كل خطوة تتقدم في الهندسة - نشر الطيف، وترددات التبديل المتغيرة، والتروس الحلزونية، وخفض الضوضاء النشط - تقلل من ضغط هذا الصوت داخل المقصورة أو تعطيه شكلاً واعيًا. عندما تستمع إلى النبرة المسموعة عند تسارعك في السيارة الكهربائية القادمة، ستعرف ما تسمعه الآن: ليس المحرك، بل التوقيع السمعي لنظام كامل.

المصادر