با بهبود الکتروموتور ها، چیزهای بیشتری در حال الکتریکی شدن هستند

هر چند که هنری فورد در سال 1908 با مدل T به بازار اتومبیل رانی ارائه شد، اما همسرش، کلارا، ترجیح می‌دهد در یک خودروی برقی رانندگی کند. موتورهای احتراقی پر سر و صدا، کثیف بودند و در سال‌های اولیه خود برای راه‌اندازی نیاز به میل لنگ دستی داشتند. با این حال، دیترویت الکتریک 1914 خانم فورد تقریباً بی‌صدا بود و با فشار دادن یا کشیدن یک میله چوبی که مقدار انرژی مورد نیاز را از باتری‌های نیکل-آهنی تامین می‌کرد، استارت آن آسان بود. ماشین او می توانست با یک بار شارژ حدود 80 مایل را طی کند و از سرعت 20 مایل در ساعت فراتر رود.

آقای فورد با تولید انبوه ماشین های خود، قیمت مدل T را به 500 دلار کاهش داد؛ به عبارتی یک هفتم قیمت خودروی خانم فورد. با گسترش ایستگاه های سوخت گیری، موتور احتراق داخلی همه چیز را تسخیر کرد. اکنون با بهبود عملکرد و کاهش هزینه ها، خودروهای الکتریکی در حال بازگشت هستند. به عنوان مثال، مدل 3 جدید تسلا به سرعت 140 مایل در ساعت می رسد و باتری سبک وزن لیتیوم یون آن برای 300 مایل آب کافی دارد. اما فقط باتری‌های بهتر و ارزان‌تر نیستند که ابزار وابسته به برق را تغییر می‌دهند، موتورهای الکتریکی (الکتروموتور) نیز تغییر کرده و بهتر می شوند.

این موضوع از این نظر مهم است که موتورهای الکتریکی همه جا هستند. آژانس بین المللی انرژی تخمین می زند که الکتروموتور ها بیش از 40 درصد از تولید برق جهانی را مصرف می کنند، یعنی دو برابر بیشتر از لامپ ها که دومین مصرف کننده بزرگ هستند. موتورهای الکتریکی را در سالن‌های ورزشی و سیستم‌های جابجایی چمدان در فرودگاه‌ها دیده اید. آنها تهویه مطبوع را در خانه ها، آسانسورها در ادارات و همچنین روبات ها را در کارخانه ها فعال می کنند. در آینده، علاوه بر خودروهای برقی، آنها به طور فزاینده‌ای با کشتی‌ها به دریا می‌روند و شروع به حرکت هواپیما خواهند کرد.

جعبه سیاه را وارد کنید!

در حال حاضر، بسیاری از موتورهای الکتریکی هنوز هم با سرعت ثابت کار می‌کنند و به سیستم‌های مکانیکی مانند دنده‌ها (گیربکس یا الکتروگیربکس ها) برای افزایش یا کاهش سرعت و تأمین سرعت مورد نظر وابسته هستند. این موضوع مصرف انرژی را ضایع می‌کند و مهندسان در حال کار بر روی بهبود این مسئله هستند. به عنوان مثال در خودروهای الکتریکی، کاری که توسط دنده‌ها انجام می‌شود (یا چوب چرخ دستی در خودروی خانم فورد) اکنون توسط یک جعبه الکترونیک انجام می‌شود (ماشین های اتومات). این مسئله به مرور زمان در الکتروموتورهای غیرخودرویی نیز رو به افزایش است.

اندرو پیترز، مدیر کارخانه موتورهای Siemens در کانگلتون در شمال غرب انگلستان، می‌گوید که یک الکتروموتور مدرن و سیستم رانندگی مرتبط با آن می‌تواند همان مقدار توانی را که یک موتور از سال ۱۹۱۰ میلادی تولید می‌کرد، در یک پنجم بسته جای دهد. امروزه طراحی های جدید بسیار کارآمد هستند: برخی از موتورهای الکتریکی بزرگ اکنون می‌توانند ۹۷-۹۸٪ از برق مصرفی را به انرژی مکانیکی تبدیل کنند. حتی بهترین موتورهای احتراق داخلی (الکتروموتور های ضد انفجار یا ضد جرقه) تنها حدود ۴۵٪ این کار را انجام می‌دهند.

درباره الکتروموتور موتوژن بیشتر بدانید

بسیاری از این بهبودها ناشی از تکنیک‌های تولید مدرن با دقت بالا هستند، همچنین پیشرفت‌های علم مواد تاثیر بسزایی در این زمینه داشته است. موتورهای الکتریکی بیشتر انرژی را به صورت گرما از دست می‌دهند.

موتورهای الکتریکی با ارسال برق از طریق مفتول‌ها کار می‌کنند. این مفتول‌ها جریان الکتریکی را به یک الکترومغناطیس (آهن ربا) تبدیل می‌کند، یک میدان مغناطیسی ایجاد میشود که به میدان مغناطیسی موجود توسط مجموعه دومی از مغناطیس‌های دائمی که داخل استاتور است فشار می‌آورد. این باعث می‌شود روتور چرخانده شود تا خود را با میدان‌های مغناطیسی هماهنگ کند. برای نگه داشتن چرخش و ساختن یک موتور مفید، این میدان‌های مغناطیسی باید به طور مداوم تغییر کنند. این کار با تغییر جهت جریان در مفتول‌ها انجام می‌شود.

در یک موتور با جریان مستقیم که از یک باتری می‌آید، تغییر جهت با یک کامیوتاتور انجام می‌شود که یک نوع سوئیچ مکانیکی است. کامیوتاتور به یک انتهای روتور وصل شده و برق را از "مسیرهای" ثابتی گرفتار می‌کند. این مسیرها، معمولاً از کربن نرم ساخته شده‌اند و به علت سوختگی در وسایل الکتریکی معروف هستند.

اما امروزه در موتورهای جدید، ترتیب عادی امور برعکس شده است، با مفتول‌ها نگه داشته شده در استاتور و روتور دارای مغناطیس‌های دائمی. جهت جریان در این مفتول‌ها به صورت الکترونیکی تغییر می‌کند. حذف برس‌ها به بهبود قابلیت آن منجر شده و سوئیچ الکترونیکی کنترل بسیار دقیق‌تری نسبت به سیستم قدیمی ارائه می‌دهد. همچنین مغناطیس‌های دائمی می‌توانند با استفاده از مواد قوی مغناطیسی مانند دیسپروزیوم و نئودیمیم بهبود یابند.

درباره الکتروموتور وگ بیشتر بدانید.

طراحی‌های دیگر هم در حال استفاده هستند. یکی از آنها موتور تردد تغییری است، یک ایده تقریباً ۱۸۰ ساله که به کمک فناوری رانندگی دوباره زنده شده است. موتور تردد تغییری مغناطیس‌های دائمی و برس‌ها را حذف می‌کند. به جای اینکه به نیروهای مغناطیسی متضاد برای ایجاد گشتاور وابسته شود، از ویژگی دیگری از مغناطیس، به نام تردد تغییری، استفاده می‌کند که مشابه مقاومت در یک مدار الکتریکی است.

در چنین موتوری، میدان مغناطیسی تولید شده توسط مفتول‌های فعال با انرژی، مسیر با کمترین تردد تغییری را از طریق یک روتور ساخته شده از آهن دنبال می‌کند. روتور سمت خود را با میدان هماهنگ می‌کند تا مقاومت را به حداقل برساند. تغییر مداوم جهت جریان، روتور را مجبور به چرخش مکرر می‌کند. با توجه به تعداد کم قطعات و استفاده از مواد اولیه، موتورهای تردد تغییری ارزان هستند و سطوح بالایی از گشتاور را ارائه می‌دهند.

شرکت Visedo از فناوری‌ با نام موتور تردد تغییری همراه با مغناطیس دائمی (SRPM) بهره برده است. یکی از نقاط ضعف موتور تردد تغییری این است که برای ارائه گشتاور مشخص، باید از یک موتور مغناطیس دائمی معادل خودش، بزرگتر باشد. با بازنشانی مغناطیس‌ها، Visedo به موتور تردد تغییری قدرت اضافی می‌دهد که به آن امکان می‌دهد کوچکتر باشد اما همچنان توانمندی یک موتور بزرگتر را داشته باشد. این SRPMها دارای سیستم خنک‌کننده مایع هستند تا به بهره‌وری بیشتری برسند و به نظر کیمو رئوما، رئیس اجرایی Visedo، برای عملیات سنگین بسیار مناسب هستند.

این شرکت موتورهای SRPM خود را در یک اتوبوس الکتریکی در هلسینکی، در تجهیزات صنعتی مانند دستگاه‌های حفاری و در ماشین‌آلات کشاورزی و کشتی‌ها استفاده کرده است. برخی از این ماشین‌آلات هیبریدی هستند که موتورهای الکتریکی به همراه موتورهای احتراق داخلی استفاده می‌شوند. حتی با این وجود، این سیستم‌ها منجر به صرفه‌جویی بزرگ در سوخت و کاهش انتشارات گازهای مضر می‌شوند.

در ابتدای امسال، یک سیستم Visedo در یک کشتی هیبرید 100 تنی در کائوشیونگ، تایوان نصب شد. این کشتی که مسافران را به یک جزیره محبوب برای گردشگران انتقال می دهد، فقط برخی اوقات از موتور دیزل استفاده می کند. این کشتی به یک شارژر سریع متصل می‌شود تا در هنگام بارگیری و تخلیه باطری‌ ها خود را شارژ کند.

موتورهای الکتریکی هم به آسمان رفتند!

بیشتر پهپادها توسط موتورهای بدون تسمه تغذیه می‌شوند؛ تجهیزات مشابه هم به مایکرولایتها و اخیراً به هواپیماهای سبک نیز راه یافته است. گشتاور بالای آنها برای چرخاندن پروانه‌ها یا پروانه‌های داخلی (یک مجموعه دایره‌ای از تیغه‌ها که درون یک حفاظ قرار دارند) ایده‌آل است. با اینکه باتری وزن اضافه می‌کند، اما برخی از این وزن با سادگی (و به همین دلیل سبکی) موتورهای الکتریکی و با حذف قطعات غیرضروری مانند گیربکس جبران می‌شود.

اکنون موتورهای الکتریکی سبک‌تر به صورت خاص برای هواپیما ساخته می‌شوند. برای مثال، سیمنس یک موتور الکتریکی را در یک هواپیمای هوشمند گرمسیری که توسط شرکت آلمانی Extra ساخته شده، قرار داده است. این هواپیما تعدادی رکورد را ثبت کرده است، از جمله رکورد اولین هواپیمایی که یک گلایدر را به ارتفاع مناسب برده را بنام خود ثبت کرده است. شرکت‌های بوئینگ، ایرباس، رولز-رویس و جنرال الکتریک نیز انواعی از سیستم‌های حرکت الکتریکی را مورد مطالعه قرار داده‌اند. یکی از ایده‌ها، هواپیماهای هیبریدی با ظرفیت 100 مسافر است که در هنگام نیاز به بیشترین توان با استفاده از موتورهای جت برخاسته و فرود می‌آیند. در طول پرواز، موتورهای جت کمتر فشار می‌آورند، بنابراین در این مرحله از پرواز، هواپیما از پروانه‌های الکتریکی با باتری داخلی استفاده می‌کند.

در مورد خودروی الکتریکی Detroit Electric خانم فورد، شرکت اندرسون الکتریک کارخانه‌ای که این نام را داشت، در سال 1939 فروش ماشین‌های خود را متوقف کرد. اما نام Detroit Electric توسط آلبرت لام، مدیر سابق لوتوس، که یک شرکت خودروی ورزشی بریتانیایی است، احیا شده است. او پس از ایجاد واحدهایی در بریتانیا و چین، قصد دارد در سه سال آینده تعدادی از خودروهای الکتریکی را به بازار عرضه کند. کلارا احتمالاً خوشحال می‌شد، اما هنری را بعید بدانم...

منبع: فروشگاه مگاکو