การเลือกมอเตอร์ในรถยนต์ไฟฟ้า: แบบซิงโครนัส แบบอะซิงโครนัส และแบบแม่เหล็กถาวร

การเปรียบเทียบเชิงวิศวกรรมในแง่ประสิทธิภาพ ต้นทุน และการควบคุมแรงบิด ระหว่างมอเตอร์แบบซิงโครนัส อะซิงโครนัส และแบบแม่เหล็กถาวรที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า
การเปรียบเทียบเชิงวิศวกรรมในแง่ประสิทธิภาพ ต้นทุน และการควบคุมแรงบิด ระหว่างมอเตอร์แบบซิงโครนัส อะซิงโครนัส และแบบแม่เหล็กถาวรที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า

แชร์หน้านี้

รถยนต์ไฟฟ้าใช้มอเตอร์หลักสามประเภท: มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM), มอเตอร์อะซิงโครนัส (อินดักชัน) และมอเตอร์ซิงโครนัสแบบกระตุ้นภายนอก (EESM) PMSM ให้ประสิทธิภาพสูงสุดและความหนาแน่นของกำลังสูงสุด มอเตอร์อะซิงโครนัสโดดเด่นด้วยความทนทานและการไม่ใช้แม่เหล็ก ส่วน EESM โดดเด่นด้วยการควบคุมแรงบิดอย่างแม่นยำ การเลือกใช้คือการตัดสินใจทางวิศวกรรมระหว่างประสิทธิภาพ ต้นทุน และการพึ่งพาธาตุหายาก

ประเด็นเด่น

  • PMSM มีประสิทธิภาพสูงสุด 95-97% มอเตอร์อะซิงโครนัสทำงานในช่วง 90-93%
  • ความต่างของประสิทธิภาพที่ดูเหมือนเพียง 5-7% เมื่อส่งผลกระทบต่อขนาดแบตเตอรี่จะขยายความต่างของต้นทุนให้ใหญ่ขึ้น
  • มอเตอร์ที่พบมากที่สุดใน EV ยุคใหม่คือมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร
  • Tesla Model 3 และ Model Y ใช้ดีไซน์แบบไฮบริดที่รวมแรงบิดรีลักแตนซ์เข้ากับแรงบิดแม่เหล็ก
  • ผู้ผลิตกำลังเร่งพัฒนาทางเลือกมอเตอร์ที่ลดการใช้โลหะธาตุหายาก

ฟิสิกส์ของมอเตอร์: สนามแม่เหล็กหมุนสร้างแรงบิดได้อย่างไร?

มอเตอร์ขับเคลื่อนทั้งหมดอาศัยหลักการทางฟิสิกส์เดียวกัน ตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะสร้างสนามแม่เหล็ก การเปลี่ยนแปลงในสนามนี้จะเหนี่ยวนำกระแสใหม่ในตัวนำที่อยู่ใกล้เคียง แรงลอเรนซ์ที่กระทำต่อส่วนที่หมุนทำงานในทิศทางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กและทิศทางการเคลื่อนที่ ทำให้โรเตอร์หมุน ความแตกต่างระหว่างมอเตอร์แต่ละประเภทอยู่ที่ว่าสนามแม่เหล็กนี้มาจากไหน และโรเตอร์สัมพันธ์กับสนามที่หมุนอย่างไร

มอเตอร์ทุกประเภทมีส่วนประกอบพื้นฐานสองส่วน: สเตเตอร์ที่หยุดนิ่งและจ่ายไฟด้วยกระแสสลับสามเฟส และโรเตอร์ที่หมุนได้ สเตเตอร์สร้างสนามแม่เหล็กหมุนที่มีความถี่กำหนดโดยอินเวอร์เตอร์ โรเตอร์จะซิงโครนัสกับสนามนี้หรือตามหลังเล็กน้อย ก็เป็นตัวกำหนดประเภทของมอเตอร์

มอเตอร์อะซิงโครนัส (อินดักชัน): ทนทาน ราคาถูก ไม่ใช้แม่เหล็ก

โรเตอร์ของมอเตอร์อะซิงโครนัสมีโครงสร้าง "กรงกระรอก" ประกอบด้วยแท่งอะลูมิเนียมหรือทองแดงที่ฝังอยู่ในแผ่นเหล็ก สนามหมุนของสเตเตอร์เหนี่ยวนำแรงดันและกระแสในแท่งโรเตอร์ สนามแม่เหล็กที่กระแสเหล่านี้สร้างขึ้นจะโต้ตอบกับสนามของสเตเตอร์เกิดเป็นแรงบิด โรเตอร์ไม่สามารถตามสนามหมุนทัน: รอบการหมุนจะต่ำกว่าเสมอเล็กน้อย และความต่างนี้เรียกว่า การไถล (slippage) หากไม่มีการไถลก็จะไม่มีทั้งการเหนี่ยวนำและแรงบิด

จุดแข็งของโครงสร้างนี้เป็นรูปธรรม: ไม่มีแม่เหล็กถาวร ไม่มีการสัมผัสแบบมีการไถล ดังนั้นความต้องการบำรุงรักษาจึงต่ำและต้นทุนการผลิตอยู่ในระดับที่เหมาะสม มอเตอร์มีความทนทาน ในทางกลับกัน ประสิทธิภาพต่ำกว่าดีไซน์ซิงโครนัสโดยเฉพาะที่โหลดบางส่วนและความเร็วต่ำ การเหนี่ยวนำกระแสบนโรเตอร์หมายถึงการสูญเสียอย่างต่อเนื่อง การควบคุมความเร็วก็มีความแม่นยำน้อยกว่า และการควบคุมมอเตอร์จำเป็นต้องมีตัวแปลงความถี่เสมอ

Tesla รุ่นเก่าอย่าง Model S และ Model X เป็นที่รู้จักจากมอเตอร์อะซิงโครนัส ในบางเวอร์ชันเก่าใช้มอเตอร์อะซิงโครนัสที่เพลาหน้าและมอเตอร์แม่เหล็กถาวรที่เพลาหลัง ในภาพรวมของอุตสาหกรรม ด้วยราคาทองแดงที่สูงขึ้นและช่องว่างด้านประสิทธิภาพ ส่วนแบ่งของมอเตอร์อะซิงโครนัสจึงค่อยๆ แต่มั่นคงถูกส่งต่อให้กับดีไซน์ซิงโครนัส

มอเตอร์ซิงโครนัส: โรเตอร์หมุนไปพร้อมกับสนามแม่เหล็ก

Senkron motorlarda rotor, statorun manyetik alanıyla eşzamanlı döner; PMSM tasarımları yüksek verimleriyle modern elektrikli otomobillerin tercih edilen çözümüdür.

ในมอเตอร์ซิงโครนัส โรเตอร์จะหมุนด้วยความเร็วเท่ากับสนามหมุนของสเตเตอร์ โดยรอบการหมุนของมอเตอร์ขึ้นอยู่โดยตรงกับความถี่ของกระแสสเตเตอร์ การล็อกตัวนี้ทำให้ได้ประสิทธิภาพสูง ความหนาแน่นของกำลังสูง การควบคุมความเร็วที่แม่นยำ และพฤติกรรมไดนามิกที่ดี แพลตฟอร์ม MEB ของ VW และรุ่นต่างๆ เช่น Audi, Škoda และ Porsche Taycan ล้วนใช้มอเตอร์ตระกูลซิงโครนัส อย่างไรก็ตาม "ซิงโครนัส" ไม่ได้มีดีไซน์เดียว แต่แบ่งออกเป็นสองประเภทตามแหล่งที่มาของสนามแม่เหล็ก

มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM): ทำไมจึงเป็นเทคโนโลยีที่ครองตลาด?

ใน PMSM แม่เหล็กถาวรที่ฝังอยู่ในโรเตอร์จะสร้างสนามแม่เหล็กที่คงที่และแรงโดยไม่ต้องใช้การกระตุ้นจากภายนอก เนื่องจากไม่จำเป็นต้องเหนี่ยวนำกระแสในโรเตอร์ ศักยภาพด้านประสิทธิภาพจึงสูง โดยประสิทธิภาพสูงสุดอยู่ในช่วง 93-95% ถึง 95-98% ตามที่รายงานไว้ ค่าที่แตกต่างกันเกิดจากความแตกต่างในการวัดและการนิยาม: จุดความเร็วและภาระใดถือเป็น "จุดสูงสุด" นั้นแตกต่างกันไปในแต่ละผู้ผลิต ประเด็นสำคัญไม่ใช่ค่าสูงสุด แต่คือความสามารถของ PMSM ที่จะทำงานในช่วงประสิทธิภาพสูงในสภาวะการใช้งานของยานพาหนะส่วนใหญ่ - ที่ความเร็วต่ำและปานกลาง ทั้งประสิทธิภาพและความหนาแน่นของกำลังโดดเด่นอย่างชัดเจน

แต่ราคาของมันก็มีต้นทุน: แม่เหล็กหายากเป็นองค์ประกอบต้นทุนหลักของ PMSM นอกจากนี้ยังมีความเสี่ยงการสูญเสียแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นการจัดการความร้อนจึงเป็นประเด็นสำคัญในการออกแบบ BMW i3, VW ID.3 และ ID.4 และรุ่น Nissan Leaf รุ่นใหม่ เป็นตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่ใช้ PMSM

การออกแบบขั้วแม่เหล็กภายใน (IPM): ทำไมแม่เหล็กจึงอยู่ภายในโรเตอร์?

ในมอเตอร์ IPM แม่เหล็กไม่ได้อยู่ที่ผิวโรเตอร์ แต่ถูกฝังอยู่ภายในโรเตอร์ การจัดวางเช่นนี้ช่วยให้ใช้ฟลักซ์แม่เหล็กได้ดีขึ้น เพิ่มความหนาแน่นของกำลัง ขยายช่วงความเร็วที่ใช้งานได้ และลดความไวต่อการสูญเสียแม่เหล็ก แลกเปลี่ยนกันคือการผลิตโรเตอร์มีความซับซ้อน เพลาหลังของ Porsche Taycan และ Audi e-tron GT เป็นการประยุกต์ใช้ดีไซน์นี้บนท้องถนน

มอเตอร์ซิงโครนัสกระตุ้นจากภายนอก (EESM): โซลูชันซิงโครนัสไร้แม่เหล็ก

ใน EESM สนามแม่เหล็กของโรเตอร์ถูกสร้างขึ้นด้วยขดลวดแยกต่างหากและแหล่งจ่ายไฟเพิ่มเติม แทนที่จะใช้แม่เหล็กถาวร สิ่งนี้ให้อิสระในการออกแบบอย่างมากแก่วิศวกร: ความเข้มของสนามโรเตอร์สามารถปรับได้ตามสภาวะการทำงาน การควบคุมแรงบิด-ความเร็วมีประสิทธิภาพดีมาก และสามารถได้ช่วงความเร็วกว้างในบริเวณการอ่อนสนาม (field weakening) ประสิทธิภาพต่ำกว่า PMSM เล็กน้อยและดีไซน์ซับซ้อนกว่า การใช้งานแบบดั้งเดิมต้องใช้วงแหวนสไลป์ริงหรือแปรงถ่าน เนื่องจากขจัดการพึ่งพาธาตุหายาก จึงเป็นสถาปัตยกรรมที่ได้รับความสนใจอีกครั้งในปัจจุบัน

มอเตอร์รีลักแตนซ์: โรเตอร์ไร้ขดลวด ไร้แม่เหล็ก

ในมอเตอร์รีลักแตนซ์ แรงบิดเกิดจากแนวโน้มพื้นฐานที่ง่ายกว่ามาก: ฟลักซ์แม่เหล็กจะเลือกเส้นทางที่มีความต้านทานแม่เหล็ก (รีลักแตนซ์) ต่ำที่สุดเสมอ โรเตอร์พยายามหมุนไปยังตำแหน่งที่มีความต้านทานต่ำนี้ และแรงบิดจึงเกิดขึ้น บนโรเตอร์ไม่มีทั้งขดลวดและแม่เหล็ก - ดังนั้นจึงไม่มีทั้งธาตุหายากและการสูญเสียในโรเตอร์ มีสองประเภทหลัก: มอเตอร์แม่เหล็กสวิตช์ (SRM) และมอเตอร์ซิงค์รีลัคแทนซ์ (SynRM)

จุดที่ต้องแลกกันอยู่ที่ส่วนควบคุม: อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมมีความซับซ้อน และ SRM มีปัญหาเรื่องเสียงดังและแรงบิดแกว่งชัดเจน อย่างไรก็ตาม ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนและความยั่งยืนนั้นมีนัยสำคัญ คาดว่าด้วยอิเล็กทรอนิกส์ควบคุมที่พัฒนาไป มอเตอร์เหล่านี้จะถูกใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้น บทวิจารณ์ทางวิชาการชิ้นหนึ่งเน้นย้ำว่า SRM มีน้ำหนักเบา ความน่าเชื่อถือสูง และทนต่อความผิดพลาด จึงเหมาะกับ EV

การประยุกต์ใช้ที่น่าสนใจที่สุดในตลาดจริงคือแนวทางแบบไฮบริด: Tesla Model 3 และ Model Y ผสมผสานแรงบิดจากแม่เหล็กถาวรเข้ากับแรงบิดจากรีลัคแทนซ์ Hyundai Kona Electric ก็ใช้เทคโนโลยีรีลัคแทนซ์เช่นกัน การออกแบบ SRIPM ที่ผสานรีลัคแทนซ์เข้ากับแม่เหล็กขั้วภายใน ใช้แม่เหล็กน้อยกว่า PMSM จึงลดต้นทุนและการพึ่งพิงธาตุหายาก ขณะที่ PMSM เหนือกว่าในด้านประสิทธิภาพสูงสุดและความเร็วสูง SRIPM กลับสมดุล แข็งแรง และคุ้มต้นทุนในสภาวะการทำงานที่หลากหลาย

ประสิทธิภาพและสมรรถนะ: การเปรียบเทียบด้วยตัวเลข

ตัวเลขประสิทธิภาพเพียงอย่างเดียวทำให้เข้าใจผิดได้ คำถามที่แท้จริงคือ มอเตอร์มีประสิทธิภาพแค่ไหนในช่วงความเร็วต่ำ-ปานกลาง ซึ่งเป็นโปรไฟล์การใช้งานจริงของยานพาหนะ ตารางต่อไปนี้สรุปลักษณะของมอเตอร์หลักทั้งสามประเภท

คุณสมบัติอะซิงโครนัสPMSMEESM
ประสิทธิภาพสูงสุด90-93% (บางการวัดอยู่ที่ 90-95%)93-98% โดยทั่วไปอยู่ที่ 95-97%ต่ำกว่า PMSM เล็กน้อย
แหล่งสนามแม่เหล็กของโรเตอร์กระแสเหนี่ยวนำแม่เหล็กถาวรขดลวดภายนอก
ธาตุหายากไม่จำเป็นจำเป็น (นีโอดิเมียม ดิสโพรเซียม)ไม่จำเป็น
ความทนทาน / การบำรุงรักษาทนทานมาก บำรุงรักษาต่ำดี แต่ไวต่ออุณหภูมิการออกแบบซับซ้อน
จุดอ่อนประสิทธิภาพลดลงเมื่อโหลดบางส่วนต้นทุน ความเสี่ยงการสูญแม่เหล็กการออกแบบซับซ้อน แหวนสัมผัสไฟฟ้า

ต้องตีความสเกลของตัวเลขให้ถูกต้อง: ความต่างของประสิทธิภาพที่ดูเหมือนเพียง 5-7% จะขยายใหญ่ขึ้นเมื่อสะท้อนไปยังขนาดแบตเตอรี่ที่จำเป็นเพื่อรักษาระยะทางเท่าเดิม ตัวอย่างที่จับต้องได้แสดงให้เห็นว่า PMSM ทำเรื่องนี้ได้ดีเพียงใด - มอเตอร์ไฮบริดแม่เหล็ก-รีลัคแทนซ์ของ Model 3 ที่ใช้แบตเตอรี่ 75 kWh ให้ระยะทางเทียบเท่ากับ Model S 100D ที่มีความจุ 100 kWh ในทางกลับกัน มอเตอร์อะซิงโครนัสก็มีบทบาทด้านประสิทธิภาพเฉพาะตัวเช่นกัน: มอเตอร์อะซิงโครนัสที่เพลาหน้าของ AWD Model 3 สามารถหมุนอย่างอิสระโดยไม่ใช้ไฟฟ้าจริงเมื่อไม่จำเป็นต้องทำงาน ซึ่งให้ข้อได้เปรียบด้านระยะทางที่ไม่คาดคิดแก่รถขับเคลื่อนสี่ล้อ

การพึ่งพิงธาตุหายาก: ปัญหาที่เปลี่ยนรูปโฉมอุตสาหกรรม

อำนาจครองตลาดของ PMSM ผูกพันอยู่กับภูมิศาสตร์ของวัสดุอย่างแยกไม่ออก แหล่งธาตุหายากส่วนใหญ่อยู่ในมือของประเทศเดียว การพึ่งพิงนี้กระตุ้นให้ผู้ผลิตเคลื่อนไหวในสองทิศทาง แนวทางแรกตามที่ IEEE Spectrum ระบุไว้ คือการพัฒนาแม่เหล็กถาวรที่ไม่มีธาตุหายาก (เช่น ทางเลือกที่ใช้เหล็กเป็นฐาน) ส่วนที่สองคือการหันไปใช้มอเตอร์แบบไร้แม่เหล็กโดยสมบูรณ์ - อะซิงโครนัสหรือรีลัคแทนซ์

ตัวอย่างที่น่าทึ่ง: Tesla เปลี่ยนไปใช้มอเตอร์แบบเร-แอิร์ธ (หายาก) ในปี 2017 แต่ได้ประกาศว่ามอเตอร์รุ่นใหม่ของพวกเขาจะยังคงไม่ใช้เร-แอิร์ธอีกต่อไป โตโยต้ากำลังพัฒนามอเตอร์ที่มีโลหะเร-แอิร์ธน้อยลงถึง 50% เนื่องจากความกังวลเรื่องการขาดแคลนอุปทาน อินเดียได้เร่งการทดสอบมอเตอร์รีลัคแทนซ์ความหนาแน่นสูง ซึ่งสร้างแรงแม่เหล็กด้วยขดลวดโลหะที่พันแน่นแทนแม่เหล็ก เพื่อรับมือข้อจำกัดการส่งออกของจีน สิ่งที่น่าสนใจคือ ในความตึงเครียดระหว่างประสิทธิภาพกับต้นทุนวัสดุนี้ ตลาดยังคงลงทุนในมอเตอร์แม่เหล็กถาวรต่อไป: ความหนาแน่นของกำลังและแรงบิดที่สูงนั้นมีค่ามากพอที่จะชดเชยต้นทุนได้ในขณะนี้

อินเวอร์เตอร์และอิเล็กทรอนิกส์กำลัง: อะไรคือสิ่งที่กำหนดลักษณะของมอเตอร์อย่างแท้จริง?

แบตเตอรี่จ่ายกระแสตรง (DC) แต่มอเตอร์แรงขับได้รับพลังงานจากกระแสสลับ (AC) อินเวอร์เตอร์ทำหน้าที่แปลงระหว่างทั้งสองนี้; เอาต์พุต AC ที่ราบรื่นถูกสร้างขึ้นด้วย PWM (การมอดูเลตความกว้างพัลส์) และการทำงานที่มีประสิทธิภาพของมอเตอร์ขึ้นอยู่กับคุณภาพของเอาต์พุตนี้ ทุกความก้าวหน้าในอินเวอร์เตอร์ส่งผลโดยตรงต่อระยะทาง ประสิทธิภาพ และต้นทุน เสียงแหลมความถี่สูงที่ได้ยินระหว่างขับขี่ก็มาจากการสวิตช์ความถี่สูงนี้โดยตรง

อินเวอร์เตอร์ยังเปิดโอกาสให้เกิดการเวกเตอร์แรงบิด (torque vectoring) ในยานพาหนะหลายมอเตอร์ได้: มอเตอร์แต่ละตัวถูกควบคุมด้วยอินเวอร์เตอร์แยกต่างหาก และแรงบิดถูกกระจายอย่างแม่นยำระหว่างเพลา อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ใช้ SiC (ซิลิกอนคาร์ไบด์) และ GaN (แกลเลียมไนไตรด์) ให้ความถี่ในการสวิตช์ที่สูงขึ้น การสูญเสียที่ต่ำลง และประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ในทางกลับกัน สถาปัตยกรรมแรงดันสูงก็มีต้นทุนในฝั่งมอเตอร์เช่นกัน: มอเตอร์ที่ทำงานที่ 800 V และสูงกว่ามีแนวโน้มเกิดการคายประจุบางส่วนมากขึ้น ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อฉนวนของขดลวด ทิศทางของอุตสาหกรรมคือการบูรณาการ - ขดลวดแบบ hairpin, ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำมัน และหน่วยขับแบบบูรณาการที่รวมมอเตอร์ เกียร์ และอิเล็กทรอนิกส์กำลังไว้ในหน่วยเดียว

มอเตอร์แบบไหนเหมาะกับยานพาหนะแบบไหน: ตัดสินใจเลือกอย่างไร?

การเลือกมอเตอร์ไม่ใช่การแสวงหา "ที่ดีที่สุด" เพียงหนึ่งเดียว แต่เป็นเรื่องของการจัดลำดับความสำคัญ:

  • ยานพาหนะที่ให้ความสำคัญกับระยะทางและประสิทธิภาพ: PMSM หรือ IPM; ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในช่วงความเร็วต่ำ-ปานกลางช่วยชดเชยต้นทุนแบตเตอรี่
  • ยานพาหนะที่ให้ความสำคัญกับสมรรถนะและการควบคุมที่แม่นยำ: ตระกูลซิงโครนัส; ความหนาแน่นของกำลังที่สูงและพฤติกรรมไดนามิกที่ดีเป็นตัวชี้ขาด
  • ยานพาหนะ AWD หลายมอเตอร์: แม่เหล็กที่เพลาหลัง ผสมกับอะซิงโครนัสที่เพลาหน้า; ประสิทธิภาพจากมอเตอร์แม่เหล็กที่ความเร็วต่ำ-ปานกลาง และแรงต้านเกือบเป็นศูนย์จากมอเตอร์อะซิงโครนัสที่ไม่ได้ใช้งาน
  • ผู้ผลิตที่มีความเสี่ยงด้านห่วงโซ่อุปทาน: การออกแบบที่เน้น EESM หรือรีลัคแทนซ์; ขจัดการพึ่งพาเร-แอิร์ธ

บทสรุปคือสมดุลทางวิศวกรรมที่ชัดเจน: PMSM ครองตลาดเพราะเป็นสุดยอดด้านประสิทธิภาพและความกะทัดรัดในปัจจุบัน มอเตอร์อะซิงโครนัสยังคงมีบทบาทในบางด้านด้วยความทนทานและไม่ใช้แม่เหล็ก ส่วน EESM และการออกแบบรีลัคแทนซ์กำลังเติบโตทั้งจากเหตุผลด้านสมรถนะและความมั่นคงในการจัดหาอุปทาน การมองสเกลระยะทางของรถยนต์ไฟฟ้าแล้วถามว่ามอเตอร์เป็นชนิดใด มีความสำคัญพอๆ กับการถามความจุแบตเตอรี่

แหล่งอ้างอิง