มอเตอร์ขับเคลื่อนในรถยนต์ไฟฟ้าทำงานอย่างไร?

ทำความเข้าใจ การใช้งานมอเตอร์ไฟฟ้าขับเคลื่อน หัวใจของรถยนต์พลังงานไฟฟ้า....

รถยนต์ไฟฟ้าเป็นเครื่องจักรที่ออกแบบอย่างน่าอัศจรรย์ และเป็นอนาคตของยานพาหนะบนท้องถนนในความพยายามของโลก ที่จะลดการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล และจัดการกับผลกระทบของภาวะโลกร้อน Tesla มักถูกมองว่าเป็นชื่อชั้นนำในภาคยานยนต์ไฟฟ้า โดยมีวิศวกรรมที่น่าสนใจเบื้องหลังมอเตอร์ไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนของรถยนต์โมเดล 3 รุ่นใหม่ล่าสุด

สิ่งสำคัญคือ ต้องเข้าใจว่ามอเตอร์ทำงานอย่างไร มอเตอร์เหนี่ยวนำที่อยู่ในยุคแรกประกอบด้วยโรเตอร์ทรงกระบอกของแท่งตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งพอดีกับท่อขนาดใหญ่ที่เต็มไปด้วยขดลวด อินพุตไฟฟ้ากระแสสลับจะถูกส่งผ่านขดลวด ทำให้เกิด RMF (สนามแม่เหล็กหมุน) สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผันผวน ทำให้เกิด EMF ในแท่งโรเตอร์ (จากกฎของฟาราเดย์) และเป็นผลให้กระแสไฟฟ้าไหลในแท่ง เมื่อกระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ จะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบๆ และเกิดแรงหมุน โรเตอร์จะหมุนด้วยพลังงานไฟฟ้าที่ถูกแปลงกระแส มอเตอร์เหนี่ยวนำถูกคิดค้นโดย Nikola Tesla ซึ่งเป็นที่มาของชื่อบริษัท Tesla เป็นมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ สามารถปรับปรุงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพได้

มอเตอร์อีกประเภทหนึ่งเรียกว่า มอเตอร์แม่เหล็กถาวร Permanent Magnet Motor ซึ่งมีแม่เหล็กถาวรอยู่ในโรเตอร์แทนที่จะเป็นแท่ง ดังนั้น RMF ในท่อชั้นนอกจึงมีปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กถาวร ทำให้เกิดแรงหมุนและทำให้โรเตอร์หมุน ปัญหาของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร คือ ฟิลด์ถาวรทำให้เกิด EMF ย้อนกลับในขดลวดด้านนอก EMF ซึ่งต่อต้านและทำให้ EMF อินพุต AC ลดลง เป็นเพราะกฎของฟาราเดย์ และผลกระทบจะใหญ่ขึ้นเมื่ออัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์เพิ่มขึ้น ดังนั้น เมื่อความเร็วของยานพาหนะเพิ่มขึ้น มอเตอร์จะทำงานได้แย่ลง

มอเตอร์ที่ทำงานได้ดีที่ความเร็วสูงคือมอเตอร์ซิงโครนัสรีลัคแทนซ์ (SynRM) การฝืน เป็นสื่อกลางที่สามารถต่อต้านสนามแม่เหล็กได้ เหล็กมีความฝืนต่ำ ในขณะที่อากาศมีความฝืนสูง การตัดช่องอากาศเข้าไปในโรเตอร์เหล็ก พื้นที่ที่มีความฝืนสูงจะทำให้โรเตอร์หมุนด้วยความถี่เดียวกับ RMF เนื่องจากพยายามรักษาสถานะ แรงบิดที่เกิดขึ้นเรียกว่าแรงบิดแบบ SynRM ทำงานได้ดีที่ความเร็วสูง ขจัดปัญหา EMF ย้อนกลับที่เกิดจากแม่เหล็กถาวร

มอเตอร์ของ Tesla Model 3 ควบรวมมอเตอร์แม่เหล็กถาวรและมอเตอร์รีลัคแทนซ์แบบซิงโครนัสเข้าด้วยกัน โดยการใส่แม่เหล็กถาวรเข้าไปในช่องอากาศใน SynRM แม่เหล็กถาวรอยู่ในแนวเดียวกับ RMF เพื่อลดสนามจากแม่เหล็กถาวร ดังนั้นที่ความเร็วสูง EMF ส่วนหลังจะลดลง มอเตอร์ไฟฟ้านี้มีชื่อว่า IMP-SynRM (มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรภายใน Internal Permanent Magnet Synchronous Reluctance Motor) แม่เหล็กถาวรยังถูกแบ่งส่วนเพื่อลดกระแสไหลวน และลดการสูญเสียพลังงาน

การพัฒนามอเตอร์ของรถยนต์ไฟฟ้ามีเป้าหมายเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด ในขณะที่โลกกำลังเตรียมเปลี่ยนจากรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเป็นรถยนต์ไฟฟ้า มอเตอร์ IPM-SynRM เป็นงานวิศวกรรมระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าที่น่าทึ่ง นำไปสู่แรงผลักดันในการพัฒนาเทคโนโลยีระบบขับเคลื่อนด้วยพลังงานสะอาดให้ทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบมากยิ่งขึ้น

มอเตอร์ไฟฟ้าถูกใช้งานอย่างแพร่หลายและมีอยู่ทั่วไป คงไม่ใช่เรื่องแปลกหากจะบอกว่าอารยธรรมสมัยใหม่เกิดขึ้นได้เพราะการประดิษฐ์มอเตอร์ไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้ามีอยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่งในชีวิตประจำวันของคุณ ตั้งแต่ปั๊มน้ำไฟฟ้า ไปจนถึงมอเตอร์ไฟฟ้าที่ให้พลังงานแก่พัดลมระบายความร้อน กระแสความเปลี่ยนแปลงพลังงานขับเคลื่อนยานพาหนะจากเชื้อเพลิงไปเป็นไฟฟ้า ทำให้มอเตอร์ไฟฟ้ายิ่งแพร่หลายจากการเพิ่มจำนวนของยานยนต์ EV

มอเตอร์เหนี่ยวนำเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางวิศวกรรม มอเตอร์ไฟฟ้าประเภทนี้คิดค้นโดย Nikola Tesla และบริษัทรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้ชื่อของเขาก็ยังใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำสำหรับขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าบางรุ่นอีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Model S และ Model X ที่ใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับ โดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์เหนี่ยวนำคือมอเตอร์ที่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล โดยใช้สนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำ

มอเตอร์อาจเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์มหัศจรรย์ตลอดกาล และนั่นไม่ใช่เรื่องที่เกินเลยความจริง มอเตอร์เหนี่ยวนำนั้น มีการออกแบบการทำงานค่อนข้างเรียบง่าย โดยมีส่วนที่เคลื่อนไหวเพียงส่วนเดียวคือโรเตอร์ ซึ่งเป็นเหตุผลว่า ทำไมระบบส่งกำลังของรถยนต์ไฟฟ้า จึงได้รับการพิสูจน์ว่า มีความน่าเชื่อถือสูง เป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบที่สำคัญของยานยนต์ EV ที่เหนือกว่ารถยนต์ที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิง ในแง่ของความน่าเชื่อถือ มอเตอร์เหนี่ยวนำ ประกอบด้วยส่วนที่อยู่กับที่ ซึ่งเรียกกันว่า สเตเตอร์ พร้อมด้วยส่วนในที่หมุนจริงที่เรียกว่า โรเตอร์

โรเตอร์มีเพลาตัดผ่าน สามารถใช้เคลื่อนย้ายสิ่งของเมื่อโรเตอร์หมุน เช่น พัดลมหมุนที่เชื่อมต่อกับเพลาของมอเตอร์เหนี่ยวนำ หรือล้อขับเคลื่อนของรถยนต์ไฟฟ้า EV การเคลื่อนที่เป็นผลมาจากการเคลื่อนที่เชิงกลของเพลาโรเตอร์ มอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับ ไม่ได้มีอยู่ใน EV เท่านั้น มันถูกใช้งานในชีวิตประจำวันของมนุษย์ เครื่องจักรโรงงานสมัยใหม่จำนวนมาก ใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หากจำเป็นต้องมีความน่าเชื่อถือและต้องการต้นทุนการดำเนินงานที่ต่ำ

นั่นเป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่ยานยนต์ EV สมรรถนะสูงบางรุ่น ใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำที่มีความน่าเชื่อถือสูงและมีประสิทธิภาพ แม้ว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำจะสร้างความร้อนร่วมกัน (เป็นสาเหตุว่าทำไมมอเตอร์เหล่านี้จึงมักมีพัดลมและครีบระบายความร้อนติดตั้งอยู่ในการออกแบบ) แต่ก็มีประสิทธิภาพสูงสุด จากข้อมูลของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา รถยนต์ไฟฟ้าสามารถใช้พลังงานไฟฟ้าได้มากกว่า 77% ที่ได้รับจากการชาร์จโดยตรงไปยังล้อขับเคลื่อน รถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินสามารถรวบรวมพลังงาน 12%-30% ที่เก็บไว้ในน้ำมันเบนซิน ไปเป็นพลังงานในรูปของแรงบิดที่ส่งถ่ายไปยังล้อขับเคลื่อน การทำงานของมอเตอร์เพื่อขับเคลื่อนยานยนต์โดยไม่ปล่อยมลพิษจากการเผาไหม้ เป็นเหตุผลที่ทำให้รถยนต์ไฟฟ้าเหมาะสำหรับสิ่งแวดล้อมในปัจุบัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อชาร์จพลังงานไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานสะอาด เช่น พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตจากแสงอาทิตย์ กระแสลม หรือพลังงานน้ำ (เขื่อนปั่นกระแสไฟฟ้าพลังน้ำ)

พูดง่ายๆ ก็คือ มอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับ ทำงานโดยการกระตุ้นขดลวดทองแดงที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ซึ่งวางตำแหน่งอยู่รอบๆ สเตเตอร์ กระแสสลับที่ไหลผ่านขดลวดทองแดง จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กหมุน เห็นได้ชัดว่าในรถยนต์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่ช่วยให้ขั้นตอนนี้เกิดขึ้นได้นั้น มาจากแบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้า BEV

แบตเตอรี่ผลิตไฟฟ้ากระแสตรง ดังนั้น ก่อนที่ไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ จะถูกแปลงเป็นพลังงานกลด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า จะต้องผ่านขั้นตอนตัวกลาง โดยผ่านอินเวอร์เตอร์ที่จะแปลงไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่ให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับที่ต้องการ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบหมุนที่เกิดขึ้นในสเตเตอร์ เป็นผลมาจากการเหนี่ยวนำกระแสในโรเตอร์ขณะที่มันเคลื่อนที่ ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในโรเตอร์ นี่คือสาเหตุที่มอเตอร์เหนี่ยวนำ มีการทำงานแบบเหนี่ยวนำ เนื่องจากทำงานโดยการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก

ความมหัศจรรย์เกิดขึ้นเมื่อ EMF หมุนวน ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในโรเตอร์ ซึ่งจะผลิต EMF ของตัวเองโดยบังคับให้โรเตอร์หมุนตามสนามแม่เหล็กของสเตเตอร์ โรเตอร์จะหมุนเพลา ซึ่งเป็นส่วนต่อเชื่อมที่มีประโยชน์ของมอเตอร์ไฟฟ้า ทำให้สร้างพลังงานกลจากพลังงานไฟฟ้าได้ ในแง่ของยานยนต์ EV วิธีที่มอเตอร์ไฟฟ้าเหล่านี้ส่งกำลัง หมายถึงแรงบิดที่พร้อมใช้งานอย่างฉับพลันทันที จากมอเตอร์ถ่ายลงไปยังเกียร์อัตโนมัติแบบซิงเกิลสปีด หรือ 2 สปีด สำหรับการออกตัวอย่างรวดเร็ว และปราศจากอาการรอรอบ ซึ่งรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน ICE โดยเฉพาะรถยนต์ที่ติดตั้งระบบอัดอากาศ ไม่สามารถส่งถ่ายแรงบิดได้เร็วเท่ามอเตอร์ไฟฟ้า

ข้อดีที่ชัดเจนของมอเตอร์ไฟฟ้าเหนือเครื่องยนต์สันดาปภายในก็คือ ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวลดลงอย่างมาก กระบวนการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายในนั้นซับซ้อนกว่ามากในระบบขับเคลื่อนของรถยนต์ไฟฟ้า การลดลงของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวสัมพันธ์โดยตรงกับค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษารถยนต์ไฟฟ้าที่แตกต่างจากเครื่องยนต์สันดาปภายใน แต่ก็ไม่เสมอไป เพราะชิ้นส่วนบางชิ้นของรถยนต์ไฟฟ้ายังคงมีราคาสูง ทั้งมอเตอร์ขับเคลื่อนและชุดแบตเตอรี่นั้นมีราคาที่แพงเอาเรื่อง

การขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าจะมีค่าการสึกหรอต่ำกว่าการขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์สันดาปภายใน ขณะเดียวกัน เครื่องยนต์สันดาปภายในมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวมากมายที่อาจเสียหายหรือสึกหรอได้ ไม่ได้หมายความว่ามอเตอร์ไฟฟ้าจะไม่มีวันพัง แต่การไม่มีชิ้นส่วนหลายชิ้นในมอเตอร์ขับเคลื่อนทำให้เกิดความคงทนและมีอายุการใช้งานยาวนาน หนึ่งในจุดบกพร่องที่สำคัญในเครื่องยนต์สันดาปภายในก็คือ โซ่ไทม์มิ่ง (หรือสายพานไทม์มิ่ง) ซึ่งไม่มีอยู่ในมอเตอร์ไฟฟ้า

มอเตอร์เหนี่ยวนำ ไม่ใช่สิ่งประดิษฐ์ใหม่จากจินตนาการอันกว้างไกลของวิศวกร มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงเหล่านี้ ได้รับการยอมรับสำหรับใช้ในการขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้า มอเตอร์เหนี่ยวนำยังคงเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางวิศวกรรม การวิจัยและพัฒนา ช่วยให้มอเตอร์ขับเคลื่อนมีศักยภาพสูงมากขึ้นเรื่อยๆ แต่ก็ยังคงมีราคาแพง

สำหรับแบตเตอรี่กรดตะกั่วแบบดั้งเดิม แตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนในรถยนต์ไฟฟ้า EV ส่วนประกอบของแบตเตอรี่กรดตะกั่วส่วนใหญ่ ประกอบด้วยตะกั่วและน้ำผสมกรดกำมะถัน ในทางกลับกัน แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ประกอบด้วยวัสดุต่างๆ เช่น ลิเทียม โคบอลต์ และกราไฟต์ แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนยังมีความหนาแน่นของพลังงานที่เหนือกว่าแบตเตอรี่กรดตะกั่ว เหมาะอย่างยิ่งสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่คำนึงถึงพื้นที่และน้ำหนักเป็นสำคัญ

แบตเตอรี่กรดตะกั่วยังมีวงจรชีวิตการทำงานที่น้อยกว่า เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน หมายความว่า คุณสามารถชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนได้มากกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วกรดหลายเท่า เห็นได้ชัดว่านี่เป็นข้อดีอย่างมากสำหรับการใช้งานในรถยนต์ไฟฟ้า ซึ่งแบตเตอรี่ประกอบด้วยส่วนประกอบที่สำคัญและมีราคาแพงที่สุด และวงจรชีวิตที่ต่ำกว่ามาตรฐานจะทำให้แบตเตอรี่ไร้ประโยชน์ แบตเตอรี่กรดตะกั่วยังต้องการการบำรุงรักษาเป็นประจำเพื่อให้ใช้งานได้ต่อไป ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนนั้นค่อนข้างไม่ต้องบำรุงรักษาตลอดอายุการใช้งาน

เป็นเรื่องง่ายที่จะเห็นว่าเหตุใดบริษัทผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้า จึงใช้แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนในยานยนต์ EV มากกว่าแบตเตอรี่กรดตะกั่วแบบดั้งเดิม หากยานยนต์ไฟฟ้าใช้แบตเตอรี่กรดตะกั่ว จะทำให้มีน้ำหนักมากเกินไป หากเราไม่คำนึงถึงข้อเสียของแบตเตอรี่กรดตะกั่ว แบตฯ แบบนี้ยังคงเหมาะสมสำหรับยานยนต์ทั่วไป มีค่าใช้จ่ายที่ค่อนข้างถูก เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ทำให้มั่นใจได้ว่าแบตเตอรี่กรดตะกั่วแบบดั้งเดิม จะยังคงใช้งานในรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงและการให้พลังงานไฟฟ้ากับอุปกรณ์อื่นๆ แบตเตอรี่แบบเก่านี้ ให้พลังงานไฟฟ้ากับรถยนต์สันดาปภายในมานานแล้ว และแม้ว่าเทคโนโลยีลิเทียมไอออนกำลังจะเข้ามาทดแทนแบตฯ แบบเก่า แต่แบตเตอรี่กรดตะกั่วจะยังคงอยู่ในประวัติศาสตร์ยานยนต์เสมอ.

อาคม รวมสุวรรณ
E-Mail [email protected]
Facebook https://www.facebook.com/chang.arcom
https://www.facebook.com/ARCOM-CHANG-Thairath-Online-525369247505358/

คุณกำลังดู: มอเตอร์ขับเคลื่อนในรถยนต์ไฟฟ้าทำงานอย่างไร?

หมวดหมู่: รถยนต์