موتور برقی سنکرون و آسنکرون چه تفاوتی دارند؟

با گسترش خودروهای برقی، نام‌هایی مانند موتور سنکرون، آسنکرون، القایی و آهنربای دائم بیشتر شنیده می‌شود؛ اما تفاوت این موتورها فقط در اسم نیست. مهم‌ترین تفاوت به نحوه چرخش روتور نسبت به میدان مغناطیسی موتور برمی‌گردد. در موتور سنکرون، روتور دقیقاً با سرعت میدان مغناطیسی می‌چرخد، اما در موتور آسنکرون یا القایی، روتور همیشه کمی عقب‌تر از این میدان حرکت می‌کند. همین اختلاف ساده، روی بازده، قیمت، وزن، کنترل حرارتی و حتی نوع استفاده موتور در خودروهای برقی اثر می‌گذارد.

به گزارش پایگاه خبری اسب بخار، موتور برقی برخلاف موتور احتراقی قطعات متحرک بسیار کمتری دارد، اما این به معنای ساده بودن کامل ساختار آن نیست. شرکت‌های خودروسازی بسته به نوع خودرو، توان مورد نیاز، قیمت هدف و حتی دسترسی به مواد اولیه، از انواع مختلف موتورهای الکتریکی استفاده می‌کنند.

دو خانواده مهم در این میان، موتورهای سنکرون و آسنکرون هستند. هر دو با میدان مغناطیسی چرخان کار می‌کنند، اما روتور آنها به روش متفاوتی با این میدان درگیر می‌شود.

سنکرون یعنی هماهنگ با میدان مغناطیسی

در موتور سنکرون، استاتور با دریافت جریان متناوب چندفاز، یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می‌کند. روتور نیز میدان مغناطیسی خودش را دارد و با این میدان دوار قفل می‌شود.

نتیجه این است که سرعت روتور دقیقاً با سرعت میدان مغناطیسی استاتور برابر می‌شود. به همین دلیل به آن «سنکرون» یا همزمان گفته می‌شود.

در خودروهای برقی، یکی از رایج‌ترین انواع موتور سنکرون، موتور سنکرون آهنربای دائم است. در این موتورها آهنرباهای دائمی داخل یا روی روتور قرار دارند و دیگر نیازی نیست برای ایجاد میدان مغناطیسی روتور دائماً جریان الکتریکی صرف شود. همین ویژگی یکی از دلایل بازده بالای این موتورهاست.

آسنکرون چرا از میدان عقب می‌ماند؟

در موتور آسنکرون که به آن موتور القایی نیز گفته می‌شود، روتور آهنربای دائم ندارد و میدان مغناطیسی آن به‌صورت القایی ایجاد می‌شود.

میدان مغناطیسی چرخان استاتور از مقابل هادی‌های روتور عبور می‌کند و در آنها جریان القا می‌شود. این جریان نیز میدان مغناطیسی خودش را ایجاد می‌کند و در نتیجه روتور شروع به چرخیدن می‌کند.

اما برای اینکه این القا اتفاق بیفتد، باید میان سرعت میدان مغناطیسی و سرعت روتور اختلاف وجود داشته باشد. اگر روتور دقیقاً با همان سرعت میدان بچرخد، دیگر میدان نسبی از مقابل هادی‌های روتور عبور نمی‌کند و جریان القایی از بین می‌رود.

بنابراین روتور موتور آسنکرون همیشه کمی کندتر از میدان مغناطیسی استاتور می‌چرخد. این اختلاف سرعت را «لغزش» یا Slip می‌نامند.

تفاوت اصلی در یک کلمه؛ لغزش

اگر بخواهیم تفاوت اصلی این دو موتور را در ساده‌ترین شکل بیان کنیم، باید سراغ همین لغزش برویم. در موتور سنکرون، لغزش در حالت عادی تقریباً صفر است و روتور با میدان مغناطیسی هماهنگ می‌چرخد.

در موتور آسنکرون، مقداری لغزش برای تولید گشتاور ضروری است. همین تفاوت کوچک در رفتار الکترومغناطیسی، بسیاری از تفاوت‌های دیگر را ایجاد می‌کند؛ از میزان تلفات گرفته تا ساختار روتور و نوع کنترل موتور.

چرا موتور سنکرون بازده بالاتری دارد؟

در بسیاری از کاربردهای خودرویی، موتور سنکرون آهنربای دائم بازده بسیار بالایی دارد، مخصوصاً در رانندگی با بار متوسط و سرعت‌های معمول. دلیل اصلی این است که آهنرباهای دائمی میدان روتور را بدون نیاز به مصرف جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. در نتیجه بخشی از تلفات الکتریکی که در روتور موتور القایی وجود دارد حذف می‌شود.

در موتور آسنکرون، جریان باید در روتور القا شود و این جریان باعث تولید گرما و تلفات مقاومتی می‌شود. برای خودروی برقی که هر درصد بازده بیشتر می‌تواند به افزایش پیمایش کمک کند، این تفاوت اهمیت زیادی دارد. به همین دلیل بسیاری از خودروهای برقی امروزی از نوعی موتور سنکرون آهنربای دائم به‌عنوان موتور اصلی استفاده می‌کنند.

پس چرا هنوز موتور آسنکرون استفاده می‌شود؟

اگر موتور سنکرون بازده بالاتری دارد، ممکن است این سؤال پیش بیاید که چرا موتورهای آسنکرون هنوز در خودروهای برقی دیده می‌شوند. پاسخ این است که موتور القایی مزایای مهم خودش را دارد.

روتور این موتور می‌تواند ساختار نسبتاً ساده‌ای داشته باشد و به آهنرباهای دائمی وابسته نباشد. این موضوع هم هزینه مواد اولیه را کاهش می‌دهد و هم وابستگی به فلزات خاکی کمیاب را کمتر می‌کند.

موتورهای القایی همچنین در بعضی شرایط کاری، به‌خصوص در سرعت‌های بالا، عملکرد مناسبی دارند و می‌توانند توان زیادی تولید کنند.

در خودروهای دو موتوره نیز گاهی از یک موتور سنکرون روی یک محور و یک موتور القایی روی محور دیگر استفاده می‌شود تا خودروساز بتواند مزایای هر دو را کنار هم داشته باشد.

مسئله آهنرباهای گران‌قیمت

یکی از مهم‌ترین نقاط ضعف موتور سنکرون آهنربای دائم، وابستگی آن به آهنرباهای قدرتمند است. بسیاری از این آهنرباها از موادی مانند نئودیمیوم ساخته می‌شوند که استخراج و فرآوری آنها هزینه‌بر است و زنجیره تأمین محدودی دارد.

افزایش قیمت این مواد می‌تواند مستقیماً هزینه ساخت موتور را بالا ببرد. به همین دلیل صنعت خودرو طی سال‌های اخیر به سمت کاهش مصرف فلزات خاکی کمیاب، توسعه موتورهای سنکرون بدون آهنربای دائم و استفاده بیشتر از موتورهای رلوکتانسی نیز حرکت کرده است.

بنابراین نباید تصور کرد هر موتور سنکرونی الزاماً آهنربای دائم دارد؛ این فقط یکی از رایج‌ترین انواع آن در خودروهای برقی است.

کدام موتور سبک‌تر است؟

پاسخ قطعی برای همه موتورها وجود ندارد، اما موتورهای سنکرون آهنربای دائم معمولاً می‌توانند چگالی توان بالایی داشته باشند؛ یعنی از یک موتور کوچک‌تر و سبک‌تر، توان قابل توجهی دریافت شود.

این ویژگی برای خودرو اهمیت زیادی دارد، زیرا وزن و فضای اشغال‌شده مستقیماً روی مصرف انرژی و طراحی خودرو اثر می‌گذارد. در مقابل موتورهای القایی ممکن است برای دستیابی به همان سطح بازده یا گشتاور، کمی بزرگ‌تر یا سنگین‌تر شوند، هرچند طراحی‌های پیشرفته فاصله این دو را کاهش داده‌اند.

کدام موتور در سرعت بالا بهتر است؟

موتورهای سنکرون آهنربای دائم در بازه وسیعی عملکرد بسیار خوبی دارند، اما در سرعت‌های بسیار بالا کنترل میدان مغناطیسی آنها پیچیده‌تر می‌شود.

از آنجا که آهنرباهای دائم همیشه میدان تولید می‌کنند، کنترل ولتاژ و میدان در دورهای بالا نیازمند تکنیک‌هایی مانند Field Weakening یا تضعیف میدان است.

موتورهای القایی از این نظر انعطاف بیشتری دارند، زیرا میدان روتور کاملاً به جریان القایی وابسته است و کنترل آن در بعضی شرایط سرعت بالا ساده‌تر یا مطلوب‌تر است.

همین مسئله یکی از دلایلی است که موتورهای القایی برای کاربردهای پرفشار یا محور دوم در بعضی خودروهای برقی جذاب باقی مانده‌اند.

رفتار حرارتی کدام بهتر است؟

موتور آسنکرون به دلیل جریان‌های القایی در روتور، گرمای قابل توجهی در خود روتور تولید می‌کند. انتقال این گرما به سیستم خنک‌کاری نسبتاً دشوارتر است، زیرا روتور در حال چرخش است.

در موتور سنکرون آهنربای دائم، تلفات روتور کمتر است، اما گرمای زیاد می‌تواند برای خود آهنرباها مشکل ایجاد کند. اگر دمای آهنربا بیش از محدوده طراحی بالا برود، ممکن است بخشی از خاصیت مغناطیسی خود را از دست بدهد. بنابراین هر دو نوع موتور به سیستم مدیریت حرارتی دقیق نیاز دارند، اما منشأ تلفات و نقاط حساس آنها متفاوت است.

شتاب بهتر مربوط به کدام موتور است؟

به‌تنهایی نمی‌توان گفت موتور سنکرون یا آسنکرون حتماً شتاب بهتری ایجاد می‌کند. شتاب خودرو به قدرت، گشتاور، نسبت انتقال، وزن، کنترل اینورتر، چسبندگی تایر و مدیریت حرارتی بستگی دارد.

هر دو نوع موتور می‌توانند گشتاور بسیار بالایی از دورهای پایین تولید کنند و برای خودروهای سریع مناسب باشند. تفاوت اصلی بیشتر در بازده، هزینه، چگالی توان و نحوه کنترل است تا اینکه یکی ذاتاً «سریع‌تر» باشد.

ترمز احیاکننده در هر دو امکان‌پذیر است

هم موتور سنکرون و هم موتور آسنکرون می‌توانند هنگام کاهش سرعت نقش ژنراتور را بازی کنند و بخشی از انرژی حرکتی خودرو را دوباره به برق تبدیل کنند. در این حالت به جای اینکه تمام انرژی در لنت و دیسک به گرما تبدیل شود، موتور بخشی از آن را به باتری برمی‌گرداند. تفاوت در نحوه کنترل این فرآیند است، اما از دید راننده هر دو می‌توانند ترمز احیاکننده داشته باشند.

کدام برای خودروی برقی بهتر است؟

پاسخ به این سؤال وابسته به هدف طراحی است. اگر اولویت اصلی بازده بالا، پیمایش بیشتر و چگالی توان باشد، موتور سنکرون آهنربای دائم معمولاً گزینه جذابی است.

اگر کاهش هزینه، حذف آهنرباهای کمیاب، سادگی روتور یا عملکرد مناسب در برخی شرایط سرعت بالا اهمیت بیشتری داشته باشد، موتور آسنکرون می‌تواند انتخاب مناسبی باشد.

به همین دلیل حتی در یک خودرو ممکن است هر دو نوع موتور کنار هم استفاده شوند. برای مثال موتور اصلی می‌تواند سنکرون باشد تا در رانندگی روزمره بیشترین بازده را ایجاد کند و موتور محور دوم از نوع القایی باشد تا فقط هنگام نیاز به قدرت بیشتر وارد مدار شود.

آینده فقط متعلق به یکی از آنها نیست

در ظاهر ممکن است رقابت میان موتور سنکرون و آسنکرون شبیه مسابقه‌ای باشد که باید در نهایت یک برنده داشته باشد، اما صنعت خودرو چنین عمل نمی‌کند.

موتورهای سنکرون آهنربای دائم به دلیل بازده و چگالی توان بالا جایگاه مهمی پیدا کرده‌اند، در حالی که موتورهای القایی همچنان به دلیل حذف آهنرباهای دائم، استحکام و قابلیت کار در بازه وسیع سرعت ارزشمند هستند. در کنار این دو، موتورهای سنکرون رلوکتانسی و انواع ترکیبی نیز هر روز بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرند.

تفاوت بنیادی ساده است: در موتور سنکرون، روتور همگام با میدان مغناطیسی می‌چرخد؛ در موتور آسنکرون، روتور برای تولید گشتاور باید کمی از این میدان عقب بماند.

اما پشت همین اختلاف کوچک، مجموعه‌ای از تفاوت‌ها در مصرف انرژی، قیمت، مواد اولیه، گرما، وزن و رفتار خودرو قرار دارد؛ تفاوت‌هایی که باعث شده خودروسازان هنوز برای هر محصول، پاسخ یکسانی به سؤال «کدام موتور بهتر است؟» نداشته باشند.