منطق محركي EV المزدوج: لماذا يُستخدم محرك بمغناطيس دائم في الأمام ومحرك غير متزامن في الخلف؟

في السيارات الكهربائية ثنائية المحرك، يوفر المحرك ذو المغناطيس الدائم الموضوع في المقدمة كفاءة عالية، بينما يحافظ المحرك غير التزامني الخلفي على المدى عبر دوران حر شبه خالٍ من الفاقد عندما لا تكون هناك حاجة إليه.
في السيارات الكهربائية ثنائية المحرك، يوفر المحرك ذو المغناطيس الدائم الموضوع في المقدمة كفاءة عالية، بينما يحافظ المحرك غير التزامني الخلفي على المدى عبر دوران حر شبه خالٍ من الفاقد عندما لا تكون هناك حاجة إليه.

شارك هذه الصفحة

سبب استخدام نوعين مختلفين من المحركات في المحاور الأمامي والخلفي للسيارات الكهربائية ثنائية المحرك هو توازن هندسي بسيط: المحرك التزامني بالمغناطيس الدائم يعمل على المحور المحمّل باستمرار لأن كفاءته القصوى عالية، بينما المحرك اللاتزامني يعمل على المحور الاحتياطي لأنه يستطيع الدوران بحرية تقريبًا دون فقد عندما لا يُغذّى. وهكذا تظل السيارة الكهربائية بنظام الدفع الرباعي AWD فعالة في وضع القيادة الثابتة، كما تتمتع بالمرونة في استهلاك الطاقة من العجلات الأربع عند الحاجة إلى عزم الدوران.

أبرز النقاط

  • المحركات بالمغناطيس الدائم تصل إلى كفاءة قصوى تبلغ %95-97 ؛ بينما تبقى المحركات اللاتزامنية عادة في نطاق %90-93.
  • عند انقطاع تغذية جزء الساكن في المحرك اللاتزامني، يدور الجزء الدوار بحرية؛ وهذا يجعله محورًا احتياطيًا مثاليًا في النظام ثنائي المحرك.
  • المحرك اللاتزامني بالقدرة المكافئة يزن 45-60 كجم بينما يزن محرك PMSM حوالي 22 كجم؛ فكثافة عزم الدوران أعلى بمرتين إلى ثلاث مرات.
  • في تسلا موديل 3 Dual Motor يُستخدم محرك حثّي على المحور الأمامي ومحرك تزامني داخلي بالمغناطيس الدائم (IPM) في الخلف؛ بينما تفضل نماذج مرسيدس-بنز EQ العكس.

لماذا لا يُصنع المحركان بنفس التصميم؟

يبدو تجهيز كلا المحورين بمحرك بالمغناطيس الدائم منطقيًا على الورق: فهو في النهاية محرك أكثر كفاءة وأخف وأكثر إحكاما. المشكلة أن المجال المغناطيسي لمحرك PM لا يتوقف أبدًا. المغناطيسات في الجزء الدوار لهذه المحركات تنتج مجالًا في كل لحظة؛ وحتى عندما تكون السيارة في وضع الانزلاق، أي عند قطع قدرة المحرك، يُحدث الجزء الدوار المغناطيسي تيارات غير مرغوبة وفقدانًا في اللب داخل ملفات الساكن. باختصار، لا يمكن "إسكات" محرك PM تمامًا.

أما في المحرك اللاتزامني (الحثّي)، فيُستحث التيار في الجزء الدوار بشكل غير مباشر من الساكن. عند انقطاع تغذية الساكن، يبقى الجزء الدوار بلا مجال مغناطيسي وحرًا ميكانيكيًا، وينخفض فقد السحب إلى مستوى قريب من الصفر. هذه الميزة وحدها تشرح المنطق الأساسي للمعمارية ثنائية المحرك: يجب أن يدور المحور غير المستخدم مجانًا، والمحرك القادر على تحقيق ذلك هو المحرك اللاتزامني.

خصائص نوعي المحركين: الكفاءة والوزن وكثافة عزم الدوران

Kalıcı mıknatıslı motor geniş hız aralığında verimini korurken, asenkron motorun kayıplarının bir kısmı yapısaldır ve ısıya dönüşür.

تفوق المحرك التزامني بالمغناطيس الدائم (PMSM) لا يقتصر على الكفاءة القصوى، بل يمتد إلى توزيع الكفاءة. لغياب فقد تيار الجزء الدوار، يظل فعالًا عبر نطاق واسع من السرعة وعزم الدوران؛ وهذا في الاستخدام اليومي أكثر قيمة في كثير من الأحيان من الكفاءة القصوى عند نقطة ثابتة. في المحرك اللاتزامني، جزء من الفقد هيكلي بالكامل: كلما تأخر الجزء الدوار عن مجال الساكن بمقدار فرق السرعة (الانزلاق)، نشأ تيار في الجزء الدوار وبالتالي حرارة. لإنتاج نفس التدفق المغناطيسي، يحتاج المحرك اللاتزامني إلى حديد ونحاس أكثر - فمحرك لاتزامني بقدرة 50 كيلوواط يزن 45-60 كجم بينما يزن محرك PMSM المكافئ 22 كجم. كما أن كثافة عزم دوران محرك PM أعلى بمرتين إلى ثلاث مرات، أي أن نفس الأداء يتسع في حزمة أكثر إحكاما.

الخاصيةتزامني بالمغناطيس الدائم (PMSM)لاتزامني (حثّي)
الكفاءة القصوى%95-97%90-93
فقد الدوران الحرمنخفض لكنه ليس صفرًا (مجال المغناطيس الدائم)منخفض جدًا، يدور بحرية عمليًا
كتلة محرك 50 كيلوواطحوالي 22 كجم45-60 كجم
كثافة العزممرتفعة (2-3 أضعاف)أقل
الكفاءة ضمن نطاق الحملكفؤ ضمن نطاق واسعينخفض أسرع عند الأحمال المتغيرة
متطلبات المغناطيستتطلب عناصر أرضية نادرةلا تتطلب
الدور النموذجيالمحور المحمّل باستمرارالمحور الاحتياطي / قوة إضافية

منطق المطابقة على خريطة الكفاءة

لكل محرك كهربائي خريطة كفاءة خاصة به: مخطط كنتوري يوضح مدى كفاءة المحرك في كل منطقة من مستوى السرعة-العزم. تأتي الفواقد من ثلاث مجموعات رئيسية - الفواقد الأومية الناتجة عن مقاومة اللفات، وفواقد الحديد الناتجة عن التدفق المتغير في الحديد، والفواقد الإضافية التي تخلقها المغانط نفسها في محركات PM. الترتيب الثنائي المحرك الجيد يجعل المناطق الأكثر كفاءة في هذه الخرائط تتوافق مع النقاط التي يقضي فيها المركبة معظم وقتها في نمط استخدامه المعتاد.

تعمل الاستراتيجية هكذا: أثناء سير المركبة بسرعة ثابتة (cruise) يعمل محرك PM وحده، ويتم اختيار أبعاده بحيث يستقر تماماً في جزيرة الكفاءة العليا لخريطة الكفاءة في سيناريو الحمل المنخفض هذا. يُغلق المحرك غير المتزامن بأمر من العاكس؛ فيدور الدوار بحرية ويكون السحب شبه معدوم. عند التسارع أو الصعود أو فقدان الجر، يبدأ المحرك الثاني في إنتاج العزم. يقوم برنامج المركبة بضبط توزيع العزم بين المحورين الأمامي والخلفي في كل لحظة بطريقة تحسّن الاستهلاك؛ وهذه الخوارزميات لتخصيص العزم تُرسي أيضاً البنية التحتية لتوجيه العزم الأساسي وتسعى إلى موازنة قدرة كل محور على القوة الجانبية.

في الكبح التجديدي توجد عدم تماثل أيضاً: ينتقل محرك PM بشكل طبيعي إلى وضع المولد لأن مجاله جاهز دائماً. استخدام المحرك غير المتزامن كمولد أكثر تعقيداً قليلاً؛ لأن مجال الدوار يتشكل بالإثارة غير المباشرة، يجب على طبقة التحكم أولاً بناء هذا المجال. ومع ذلك، في المركبات الحديثة ذات المحركين يمكن لكلا المحورين المشاركة في استعادة الطاقة.

لماذا يختار المصنّعون كل مطابقة؟

Tesla: الحث في المقدمة وIPM في المؤخرة

Tesla Model 3 Dual Motor هو المثال الأكثر جدلاً حول هذه البنية: محرك حث ثلاثي الطور رباعي الأقطاب على المحور الأمامي؛ ومحرك بمغناطيس دائم مدمج (IPM) ثلاثي الطور سداسي الأقطاب على المحور الخلفي. المسار التاريخي للشركة موعظ أيضاً - كان Roadster الأول وModel S بالكامل حثيين؛ ومع Model 3 وY انتقلت وحدة الدفع الرئيسية إلى قاعدة PMSM. والسبب واضح: التكلفة الأعلى لمحرك PM تستحق مع مكسب الكفاءة الذي يوفره. كما أن Tesla تدمج المغانط الدائمة مع تصميم الانخفاض المغناطيسي (عزم مقاومة المغناطيس) لنقل الكفاءة خطوة إضافية إلى الأمام. في محركات هذا الجيل المسمى PMSR تظهر آثار البنية الهجينة IPM-SynRM.

Mercedes-Benz: الصورة المعكوسة

تطبق موديلات Mercedes-Benz EQ المنطق نفسه بالعكس: محرك تزامني بإثارة مغناطيسية دائمة على المحور الخلفي، ومحرك حث على المحور الأمامي. هذا يوضح أنه لا توجد إجابة صحيحة واحدة لسؤال "على أي محور يجب أن يكون PM"؛ يتخذ القرار وفقاً لتوزيع وزن المركبة وحمل القيادة المعتاد وبنية إدارة الحرارة. بما أن المحور الخلفي يحمل في معظم السيارات الكهربائية قدرة مستمرة أعلى، فإن وضع محرك PM في الخلف يضمن أن حمل القيادة المستقرة يقع على المحرك الأكثر كفاءة - ونفس المنطق يعمل أساساً في تسلا أيضاً.

على مستوى القطاع عموماً

تعتمد علامات مثل BYD وتويوتا وهيونداي وفولكس فاجن أساساً على أنظمة PMSM بسبب كثافة العزم العالية والكفاءة عبر نطاق سرعات واسع. الأغلبية العظمى من السيارات الكهربائية بالبطارية تستخدم محركات بمغانط دائمة؛ ورينو زوي وتسلا موديل S القديمة هما الاستثناءان المعروفان لهذه القاعدة. تشير أبحاث القطاع إلى أن محركات PM ستبقى النوع المهيمن في المستقبل المنظور؛ كما قدمت عملاقة المكونات Bosch عائلتها الجديدة من المحركات الكهربائية التزامنية ذات المغناطيس الدائم لإنتاج السلسلة من الجيل الجديد.

هل محرك PM متفوق في كل الحالات؟ المجالات التي لا يزال المحرك غير التزامني يتفوق فيها

المقارنة ليست في اتجاه واحد. المحرك غير التزامني يحمل ثلاث مزايا ملموسة: لا يعتمد على العناصر الأرضية النادرة لعدم احتوائه على مغناطيس دائم، وتكلفته أقل عادة بنسبة 20-30%، وهو مقاوم لإزالة مغنطة المغناطيس - فلا مشكلة فقدان مجال حتى في البيئات فوق 120 درجة مئوية. أما في محركات PM فيجب احتساب درجات الحرارة المرتفعة كخطر يهدد المغناطيسات مدى الحياة. كما أن دوران rotor في محرك PM يولّد جهداً معاكساً للجهد المطبق (back-EMF)؛ وهذا يجعل المحرك يسحب التيار الذي يتطلبه حمله، لكن عند السرعات العالية تصبح إدارة الجهد والفقد قضية حرجة في التصميم.

وحجم فرق الكفاءة ليس مطلقاً أيضاً: رغم أن نطاق 5-7% هو الرائج، فإن الفرق يضيق ويتسع حسب نقطة الحمل. ميزة PM واضحة بشكل خاص في الأحمال المتغيرة؛ بينما يتقلص الفرق بشكل ملحوظ عند الحمل المستمر والثابت. وعلى الطاولة أيضاً المحرك التزامني بالإثارة الكهربائية (EESM) كمرشح: فهو خالٍ من المغناطيسات وقابلية إثارته تمنح مرونة في التحكم، لكن كفاءته في الأحمال الجزئية تظل عادة دون PMSM لأنه يتطلب تيار إثارة يغذي مجال rotor باستمرار.

الأسئلة الشائعة: هل المحرك المزدوج يزيد المدى؟

جواب السؤال يعتمد على المحرك. عند مقارنة سيارة بمحرك PM واحد بسيارة دفع رباعي بتركيبة PM + غير تزامني، فإن الترتيب ثنائي المحرك لا يفقد مدى - لأن المحور غير التزامني غير المستخدم يدور بحرية ولا يكاد يمس الكفاءة. أما المكسب فيأتي من توزيع العزم نحو المحور الذي يحتاجه، ومن تشغيل كل محرك في المنطقة الأكثر كفاءة في خريطة كفاءته الخاصة. لو كان كلا المحورين بمغانط دائمة، لكانت فوقد النواة الجارية باستمرار لتلتهم المدى فعلاً؛ والتركيبة موجودة تحديداً لإزالة هذا الفقد.

فلماذا لا يستخدم كل الصناع نفس الترتيب إذن؟ موقع محور PM يختلف حسب الطراز والصانع؛ وبينما تعرّف بعض التقييمات المحرك الأمامي على أنه PM الأكثر كفاءة، تؤكد تحليلات تفكيك الهيكل أن المحرك الخلفي في Model 3/Y هو من نوع PM الأكثر كفاءة عند أحمال القيادة النموذجية. الثابت هو المبدأ لا القاعدة: حمل السير يجب أن يحمله المحرك الأكثر كفاءة، والآخر يبقى ساكناً ما لم يلزم.

الخلاصة: لاتناظر واعٍ

محرك بمغانط دائمة في الأمام وغير متزامن في الخلف (أو العكس)؛ هذه ليست إعلانًا عن تفوق تقنية محرك على أخرى، بل تقسيم للعمل بين شخصيتين مختلفتين. حيث يحمل المحرك ذو المغانط الدائمة الحمل المستمر بكفاءة تتراوح بين 95% و97% عبر نطاق أحمال واسع، بينما يحتفظ المحرك غير المتزامن بالمحور الاحتياطي دون فقد بفضل قدرته على الدوران الحر. عوامل مثل تكلفة المغناطيس والتحمل الحراري والاستقلالية عن المعادن النادرة تعزز هذا الاقتران اقتصاديًا أيضًا. بالنسبة لمهندس يريد جرًا من العجلات الأربع دون خسارة في المدى، يستمر هذا اللاتناظر في كونه الإجابة الأكثر توازنًا في التقنية المتاحة.

المصادر