أنواع المحركات الكهربائية المُستخدمة في السيارات

نستعرض غالبًا مواصفات بطاريات السيارات الكهربائية باعتبارها الأساس في نظام الدفع لمركبات المُستقبل، هُناك أفكار رائعة لتطوير بطاريات تزيد المدى التشغيلي وتُقلل الوزن، مثل بطاريات الحالة الصلبة، وهُناك أيضًا توجه لاستخدام الهيدروجين بدلًا كوقود للسيارات الكهربائية، وبين هذه وتلك، يجب ألا ننسى أهمية المحرك الكهربائية نفسه، والفروقات بين المحركات المتوفرة حاليًا. عليه، ارتأينا أن نُقدم لكم نُبذة سريعة توضح أنواع المحركات الكهربائية المُستخدمة في السيارات ومزايا كل نوع.

مبدئيًا، يُشار إلى إمكانية استخدام محركات التيار المُستمر DC أو محركات التيار المُتردد AC للسيارات، ولكن الأولى تزداد حرارتها بشكل كبير عند القيادة لفترة طويلة ولدرجة العطب، لذا بدأت شركات السيارات باستخدام محركات التيار المتردد بشكل أكبر في المركبات الكهربائية الحديثة.

قبل أن نبدأ استعراض الموضوع، يجب لفت النظر إلى أن المحركات الكهربائية تنتج حركة دورانية وعزمًا مباشرًا وسلسًا وموحدًا تقريبًا ضمن نطاق عملها، كما أنها أصغر بكثير وأخف وزنًا من محركات الاحتراق الداخلي؛ على سبيل المثال، يُنتج محرك تسلا الكهربائي قدرة 270 كيلوواط (362 حصان) ويزن 31 كغم، في حين أن محركات البنزين التي تنتج 140 كيلوواط (188 حصان) تزن حوالي 180 كغم.

أنواع المحركات الكهربائية للسيارات

1. محركات التيار المُستمر DC Series Motor
2. محركات التيار المُستمر عديمة الفراشي / المسفرات Brushless DC Motors
3. المحرك المُتزامن ذو المغناطيس الدائم PMSM
4. محركات التيار المُتردد ثُلاثي الطور Three Phase AC Induction Motors
5. محركات التردد المبدلة Switched Reluctance Motors SRM
6. محرك التدفق المحوري Axial Flux Motor

ما سبق هو الأساس، ولكن هُناك العديد من المحركات الحديثة التي تبدأ فكرتها بأحد الأشكال ثم تتطور مستعينة بتقنية جديدة لتضم مزايا نوع آخر مثل تقنية دبوس الشعر. هذا الموضوع فقط لتسليط الضوء على أنواع المحركات الكهربائية بالمُجمل.

1. محرك التيار المُستمر

من أبسط المحركات الكهربائية، وكان المحرك الأكثر استخدامًا في أوائل القرن العشرين. تتمثل مزايا هذا المحرك في سهولة التحكم في السرعة، ويمكنه أيضًا تحمل الزيادة المفاجئة في الحمل. أما العيب الرئيسي لمحركات التيار المُستمر فيكمن في الصيانة المطلوبة للفراشي النحاسية Brushes والمبدلات Commutator.

2. محركات التيار المُستمر عديمة الفراشي

تعمل بالتيار المُستمر ولكن بلا فراشي (مسفرات) ولا مبدلات، عليه فلا تحتاج لصيانة مثل النوع السابق، كما تتميز بعزم الدوران العالي والكفاءة العالية التي تقارب 95-98٪.

يتفرع عن هذه المحركات نوعان رئيسيان:

محركات الدوار الداخلي Inrunner، حيث يكون المغناطيس الدائم جزءاً من الدَوّار، أما الجزء الثابت فحول الدوار. يتطلب هذا المحرك نظام لنقل العزم إلى العجلات، لذا فهو أضخم قليلًا من النوع التالي.

محركات الدوار الخارجي Outrunner، يكون الدوّار موجود في الخارج أما الجزء الثابت ففي الوسط.
يطلق على هذه المحركات أيضًا اسم المحركات المحورية لأن العجلة تكون متصلة مباشرة بالدَوّار الخارجي، من جهتنا، نُطلق على العجلات التي ترتبط بالمحركات اسم العجلة الكهربائية ويمكن الاطلاع على الوسم لأمثلة وتوضيح للسيارات الي تستخدمها.
لا يتطلب هذا المحرك نظام تروس خارجي، وفي حالات قليلة، يحتوي المحرك نفسه على تروس كوكبية داخلية. وبما سبق يقل حجم المحرك عن نُظراءه.

3. المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM)

يُسمى بالانجليزية Permanent Magnet Synchronous Motor أي المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم، وهو يُشبه محركات التيار المُستمر عديمة الفراشي، فيأتي بمغناطيس دائم على الجُزء الدَوّار.

تتمتع هذه المحركات بكثافة طاقة وكفاءة عالية. لذا فهي مناسبة للتطبيقات عالية الأداء مثل السيارات والحافلات بالرغم من كونها أغلى من محركات التيار المستمر عديمة الفراشي وتستخدم المعادن النادرة للمغانط.

يستخدم معظم مصنعي السيارات أشكالًا مُطوّرة من المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم PMSM لسياراتهم الهجينة والكهربائية، مثل تويوتا بريوس وشيفروليه بولت وفورد فوكس الكهربائية ونيسان ليف وبي ام دبليو i3.

4. محرك التيار المُتردد ثُلاثي الطور

يعتبر المحرك الحثي أو التحريضي ثلاثي الطور الذي قام باختراعه نيكولا تسلا عام 1887 من المحركات الكهربائية الأسرع انتشاراً في عالم الصناعة، وذلك لما يتمتع به من ميزات مثل المتانة وبساطة التركيب وانخفاض ثمنه بالمقارنة مع المحركات الأخرى.

هناك أنواع لهذا المحركات تعتمد اسمها من اسم الجزء الدوار فتأتي إما بتسمية الدوار الملفوف Wound Type أو دوار قفص سنجابي Squirrel-cage Type.

تتمتع المحركات الحثية على شكل قفص السنجاب بعمر طويل ويمكن تصميمها بكفاءة تصل إلى 92-95٪. ولكن عيب هذا المحرك يكمن بتطلّبه دائرة عاكس معقدة كما أن نظام التحكم في المحرك صعب البرمجة.

تعتبر تسلا موديل اس أفضل مثال لإثبات القدرة العالية لمحركات الحث، وهي ليست الوحيدة التي تستخدمه، فهناك الهندية ماهيندرا ريفا e20 وشقيقتها الهندية تاتا في بعض الطرازات، بل أن سكة الحديد الهندية بدأت باستبدال محركات التيار المستمر بمحركات الحث أو التيار المُتناوب.

5. محركات الممانعة المبدلة SRM

يحتوي الجزء الدَوّار في محركات الممانعة المُبدّة على قطعة من الفولاذ الرقائقي بدون لفات أو مغناطيس دائم. هذا يجعل القصور الذاتي للجزء الدوار أقل مما يساعد في التسارع العالي. كما أن تبريد هذا المحرك سهل حيث تتمركز الحرارة المتولدة في الغالب على الجزء الثابت. من جهة أخرى يُعاني هذا النوع من تعقيدات التحكم ودارة التبديل، كما أنه يُصدر ضوضاء أوضح من المحركات الأخرى.

تستخدم تسلا موديل 3 هذا النوع من المحركات، كما تأتي سيارات تسلا المُندفعة بالعجلات الأربعة به أيضًا؛ محرك ممانعة مبدلة ومحرك تيار متردد (حثّي) ثُلاثي الطور.

6. محرك التدفق المحوري Axial Flux Motor

يعتمد محرك التدفق المحوري Axial Flux Motor مغانط على واجهة المحرك بدلًا من مغانط حول المحور الدوّار، ويُقلل هذا من وزنه مقارنة بالمحركات الكهربائية التقليدية. وبعبارة أخرى تتميز محركات التدفق المحوري بكفاءة وكثافة طاقة أعلى. بالرغم من ظهور فكرة محرك التدفق المحوري في بدايات القرن العشرين، إلا أن استخداماته السابقة بقيت في حدود الآلات التي تتطلب خفة الوزن والكفاءة وصغر الحجم، أما التعديلات الحديثة فجعلته مناسبًا فعلًا للاستخدام في السيارات، فأصبح تصميم المحرك خفيف الوزن أساسًا أخف بمقدار النصف وتوفر المزيد من القدرة.

يُشار أيضًا إلى أن الأقراص في محرك التدفق المحوري تدور بقطر أكبر من المحركات الكهربائية الخمس السابقة وجميعها محركات تدفق شعاعي Radial Flux، وبما أن العزم هو ناتج القوة مضروبة بالقطر، فستخرج بعزم أكبر بالرغم من استخدام نفس المواد.

ما المحرك الكهربائي الأنسب لمشروع سياراتي

يتطلب الأمر التريّث وتدوين المتطلبات أولًا، فإذا كُنت تنوي تشغيل سيارة كارت صغيرة على الكهرباء مع قدرة أقل من 3 كيلوواط وبتكلفة منخفضة، فقد يكون من الجيد استخدام محركات التيار المُستمر عديمة الفراشي، أما إذا كُنت تُخطط لصنع سيارة أو مركبة كبيرة فعليك بالمحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم PMSM أو محركات التيار المتردد ثلاثي الطور (المحركات الحثيّة). في النهاية لا تنسى أن مراعاة الجهد الصادر من البطارية والجهد المطلوب لتشغيل المحرك، إن كان هناك اختلاف فستحتاج محولًا لتغيير الجهد أو الفولطية.

بالمناسبة، لماذا توجد بطارية إضافية صغيرة في السيارات الكهربائية؟

تعمل معظم تجهيزات السيارة مثل النظام الموسيقي والنوافذ والمصابيح وغيرها بجهد 12 فولط، ولذا يكون هناك بطارية صغيرة بجهد 12 فولط لتشغيل هذه الأنظمة، مع محول تيار مستمر الى تيار مستمر يُحول التيار المستمر من البطارية الرئيسية عالية الجُهد (مثلًا 350 فولط) ويحولها إلى 12 فولط.

ماذا عن هندسة نظام الدفع في السيارات الهجينة؟

كرّسنا لذلك موضوع منفصل، حيث تختلف هذه الأنظمة بطريقة ربط المحركات إلى العجلات الدافعة وبالأشكال الأساسية التالية:

1. نظام الدفع الهجين المُتوازي Parallel Hybrid
2. نظام الدفع الهجين المُتوازي المُنفصل TTR Hybrid
3. نظام الدفع الهجين المُتوالي Series Hybrid
4. نظام الدفع الهجين المتوالي-المتوازي Series-Parallel Hybrid

اقرأ المزيد على الرابط التالي: لماذا؟ القدرة الكُلية للسيارات الهجينة لا تُساوي مجموع قدرات محركاتها