เหตุใดมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจึงกลายเป็นมอเตอร์ขับเคลื่อนหลัก?

เหตุใดมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจึงกลายเป็นมอเตอร์ขับเคลื่อนหลัก?

มอเตอร์ไฟฟ้าสามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล และถ่ายทอดพลังงานกลนั้นไปยังล้อผ่านระบบส่งกำลังเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ เป็นหนึ่งในระบบขับเคลื่อนหลักของรถยนต์พลังงานใหม่ ปัจจุบัน มอเตอร์ขับเคลื่อนที่ใช้กันทั่วไปในรถยนต์พลังงานใหม่ส่วนใหญ่ ได้แก่ มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรและมอเตอร์อะซิงโครนัสกระแสสลับ รถยนต์พลังงานใหม่ส่วนใหญ่ใช้มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร บริษัทรถยนต์ที่เป็นตัวอย่าง ได้แก่ BYD, Li Auto เป็นต้น ส่วนรถยนต์บางรุ่นใช้มอเตอร์อะซิงโครนัสกระแสสลับ บริษัทรถยนต์ที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้า ได้แก่ Tesla และ Mercedes-Benz

มอเตอร์อะซิงโครนัสประกอบด้วยขดลวดสเตเตอร์ที่อยู่กับที่และขดลวดโรเตอร์ที่หมุนได้เป็นหลัก เมื่อขดลวดสเตเตอร์เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟกระแสสลับ โรเตอร์จะหมุนและสร้างกำลังไฟฟ้า หลักการสำคัญคือ เมื่อขดลวดสเตเตอร์ได้รับพลังงาน (กระแสสลับ) จะเกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าหมุนขึ้น และขดลวดโรเตอร์เป็นตัวนำปิดที่ตัดกับเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสเตเตอร์อย่างต่อเนื่องในสนามแม่เหล็กหมุนของสเตเตอร์ ตามกฎของฟาราเดย์ เมื่อตัวนำปิดตัดกับเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็ก จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น และกระแสไฟฟ้านั้นจะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้น ในขณะนี้จะมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสองสนาม คือ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของสเตเตอร์ที่เชื่อมต่อกับกระแสสลับภายนอก และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของโรเตอร์ที่เกิดจากการตัดกับเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสเตเตอร์ ตามกฎของเลนซ์ กระแสเหนี่ยวนำจะต้านทานสาเหตุของกระแสเหนี่ยวนำเสมอ นั่นคือ พยายามป้องกันไม่ให้ตัวนำบนโรเตอร์ตัดกับเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กหมุนของสเตเตอร์ ผลที่ได้คือ ตัวนำบนโรเตอร์จะ "ตามทัน" สนามแม่เหล็กไฟฟ้าหมุนของสเตเตอร์ ซึ่งหมายความว่าโรเตอร์จะไล่ตามสนามแม่เหล็กหมุนของสเตเตอร์ และในที่สุดมอเตอร์ก็จะเริ่มหมุน ในระหว่างกระบวนการนี้ ความเร็วในการหมุนของโรเตอร์ (n2) และความเร็วในการหมุนของสเตเตอร์ (n1) จะไม่ตรงกัน (ความแตกต่างของความเร็วประมาณ 2-6%) ดังนั้นจึงเรียกว่ามอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับแบบอะซิงโครนัส ในทางตรงกันข้าม หากความเร็วในการหมุนเท่ากัน จะเรียกว่ามอเตอร์แบบซิงโครนัส

มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรเป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับชนิดหนึ่ง โรเตอร์ทำจากเหล็กที่มีแม่เหล็กถาวร เมื่อมอเตอร์ทำงาน สเตเตอร์จะได้รับพลังงานเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กหมุนเพื่อผลักให้โรเตอร์หมุน "การซิงโครไนซ์" หมายความว่าความเร็วในการหมุนของโรเตอร์ในระหว่างการทำงานที่สภาวะคงที่นั้น จะซิงโครไนซ์กับความเร็วในการหมุนของสนามแม่เหล็ก มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสูงกว่า ขนาดเล็กกว่า น้ำหนักเบากว่า มีแรงบิดเอาต์พุตสูงกว่า และมีประสิทธิภาพความเร็วสูงสุดและการเบรกที่ดีเยี่ยม ดังนั้น มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจึงกลายเป็นมอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในรถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม เมื่อวัสดุแม่เหล็กถาวรได้รับแรงสั่นสะเทือน อุณหภูมิสูง และกระแสเกินพิกัด ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กอาจลดลง หรืออาจเกิดการเสื่อมสภาพของแม่เหล็ก ซึ่งอาจลดประสิทธิภาพของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรได้ นอกจากนี้ มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่ใช้โลหะหายากนั้นใช้โลหะหายาก และต้นทุนการผลิตไม่คงที่

เมื่อเปรียบเทียบกับมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร มอเตอร์อะซิงโครนัสจำเป็นต้องดูดซับพลังงานไฟฟ้าเพื่อกระตุ้นการทำงาน ซึ่งจะทำให้สิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าและลดประสิทธิภาพของมอเตอร์ มอเตอร์แม่เหล็กถาวรมีราคาแพงกว่าเนื่องจากการเพิ่มแม่เหล็กถาวรเข้าไป

รถยนต์รุ่นที่เลือกใช้มอเตอร์อะซิงโครนัสกระแสสลับมักให้ความสำคัญกับสมรรถนะและใช้ประโยชน์จากข้อดีด้านกำลังขับและประสิทธิภาพของมอเตอร์อะซิงโครนัสกระแสสลับที่ความเร็วสูง ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือ Tesla Model S รุ่นแรกๆ คุณสมบัติหลักคือ เมื่อรถวิ่งด้วยความเร็วสูง สามารถรักษาระดับการทำงานที่ความเร็วสูงและการใช้พลังงานไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ ลดการใช้พลังงานในขณะที่ยังคงรักษาพลังงานสูงสุดไว้ได้

รถยนต์ที่เลือกใช้มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมักให้ความสำคัญกับการประหยัดพลังงาน และใช้ประโยชน์จากสมรรถนะและประสิทธิภาพการทำงานของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่ความเร็วต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับรถยนต์ขนาดเล็กและขนาดกลาง คุณลักษณะเด่นคือ ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนาน ในขณะเดียวกันก็มีประสิทธิภาพในการควบคุมความเร็วที่ดี และสามารถรักษาประสิทธิภาพสูงได้แม้ในขณะที่มีการสตาร์ท หยุด เร่งความเร็ว และลดความเร็วซ้ำๆ

มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรครองตลาด จากสถิติใน "ฐานข้อมูลรายเดือนของห่วงโซ่อุตสาหกรรมยานยนต์พลังงานใหม่" ที่เผยแพร่โดยสถาบันวิจัยอุตสาหกรรมขั้นสูง (GGII) พบว่า กำลังการผลิตติดตั้งของมอเตอร์ขับเคลื่อนยานยนต์พลังงานใหม่ในประเทศ ตั้งแต่เดือนมกราคมถึงสิงหาคม 2565 อยู่ที่ประมาณ 3.478 ล้านหน่วย เพิ่มขึ้น 101% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า โดยในจำนวนนี้ กำลังการผลิตติดตั้งของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรอยู่ที่ 3.329 ล้านหน่วย เพิ่มขึ้น 106% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า และกำลังการผลิตติดตั้งของมอเตอร์อะซิงโครนัสกระแสสลับอยู่ที่ 1.295 ล้านหน่วย เพิ่มขึ้น 22% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า

มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรได้กลายเป็นมอเตอร์ขับเคลื่อนหลักในตลาดรถยนต์นั่งส่วนบุคคลไฟฟ้าล้วน

จากการเลือกใช้มอเตอร์สำหรับรถยนต์รุ่นหลักทั้งในและต่างประเทศ พบว่ารถยนต์พลังงานใหม่ที่เปิดตัวโดยบริษัทต่างๆ ในประเทศจีน เช่น SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor, Denza Motors เป็นต้น ล้วนใช้มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรเป็นที่นิยมใช้ในประเทศจีนเป็นอย่างมาก ประการแรก เพราะมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมีประสิทธิภาพการทำงานที่ความเร็วต่ำที่ดีและประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง ซึ่งเหมาะสมอย่างยิ่งกับสภาพการทำงานที่ซับซ้อน มีการสตาร์ทและหยุดบ่อยครั้งในสภาพการจราจรในเมือง ประการที่สอง เนื่องจากแม่เหล็กถาวรนีโอไดเมียมเหล็กโบรอนในมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรนั้น จำเป็นต้องใช้ทรัพยากรแร่หายาก และประเทศจีนมีทรัพยากรแร่หายากถึง 70% ของโลก และผลผลิตรวมของวัสดุแม่เหล็ก NdFeB สูงถึง 80% ของโลก ดังนั้นจีนจึงนิยมใช้มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรเป็นอย่างมาก

บริษัทเทคโนโลยีต่างประเทศอย่าง Tesla และ BMW ร่วมมือกันพัฒนาระบบมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรและมอเตอร์อะซิงโครนัสกระแสสลับ จากมุมมองของโครงสร้างการใช้งาน มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรถือเป็นตัวเลือกหลักสำหรับรถยนต์พลังงานใหม่

ต้นทุนของวัสดุแม่เหล็กถาวรคิดเป็นประมาณ 30% ของต้นทุนของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร วัตถุดิบหลักในการผลิตมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร ได้แก่ นีโอไดเมียมเหล็กโบรอน แผ่นเหล็กซิลิคอน ทองแดง และอลูมิเนียม โดยนีโอไดเมียมเหล็กโบรอนใช้ในการผลิตแม่เหล็กถาวรสำหรับโรเตอร์เป็นหลัก คิดเป็นต้นทุนประมาณ 30% ส่วนแผ่นเหล็กซิลิคอนใช้ในการผลิตแกนโรเตอร์ตามสั่ง คิดเป็นต้นทุนประมาณ 20% ขดลวดสเตเตอร์คิดเป็นต้นทุนประมาณ 15% เพลามอเตอร์คิดเป็นต้นทุนประมาณ 5% และตัวเรือนมอเตอร์คิดเป็นต้นทุนประมาณ 15%

ทำไมถึงเป็นเช่นนั้นมอเตอร์แม่เหล็กถาวร OSG สำหรับเครื่องอัดอากาศแบบสกรูมีประสิทธิภาพมากขึ้นหรือไม่?

มอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรประกอบด้วยส่วนประกอบหลักๆ คือ สเตเตอร์ โรเตอร์ และตัวเรือน เช่นเดียวกับมอเตอร์กระแสสลับทั่วไป แกนสเตเตอร์มีโครงสร้างแบบลามิเนตเพื่อลดการสูญเสียเหล็กเนื่องจากกระแสไหลวนและผลกระทบจากฮิสเทอรีซิสขณะที่มอเตอร์ทำงาน ขดลวดก็มักจะมีโครงสร้างสมมาตรสามเฟสเช่นกัน แต่การเลือกพารามิเตอร์นั้นแตกต่างกันมาก ส่วนโรเตอร์มีหลายรูปแบบ รวมถึงโรเตอร์แม่เหล็กถาวรที่มีกรงกระรอกสำหรับสตาร์ท และโรเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบฝังหรือแบบติดตั้งบนพื้นผิว แกนโรเตอร์สามารถทำเป็นโครงสร้างแบบแข็งหรือแบบลามิเนตได้ โรเตอร์ติดตั้งวัสดุแม่เหล็กถาวร ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าแม่เหล็ก

ในสภาวะการทำงานปกติของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร สนามแม่เหล็กของโรเตอร์และสเตเตอร์จะอยู่ในสภาวะซิงโครนัส ไม่มีกระแสเหนี่ยวนำในส่วนของโรเตอร์ และไม่มีการสูญเสียทองแดงในโรเตอร์ ฮิสเทอรีซิส หรือการสูญเสียกระแสไหลวน จึงไม่จำเป็นต้องพิจารณาปัญหาการสูญเสียและการเกิดความร้อนในโรเตอร์ โดยทั่วไป มอเตอร์แม่เหล็กถาวรจะใช้พลังงานจากตัวแปลงความถี่พิเศษ และมีฟังก์ชันการสตาร์ทแบบนุ่มนวลโดยธรรมชาติ นอกจากนี้ มอเตอร์แม่เหล็กถาวรยังเป็นมอเตอร์ซิงโครนัส ซึ่งมีลักษณะเฉพาะในการปรับค่าตัวประกอบกำลังผ่านความเข้มของการกระตุ้น ดังนั้นจึงสามารถออกแบบค่าตัวประกอบกำลังให้เป็นไปตามค่าที่กำหนดได้

จากมุมมองเริ่มต้น เนื่องจากมอเตอร์แม่เหล็กถาวรสามารถสตาร์ทได้ด้วยแหล่งจ่ายไฟแบบปรับความถี่ได้หรืออินเวอร์เตอร์ ทำให้กระบวนการสตาร์ทมอเตอร์แม่เหล็กถาวรนั้นง่ายมาก คล้ายกับการสตาร์ทมอเตอร์แบบปรับความถี่ได้ และหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องในการสตาร์ทของมอเตอร์อะซิงโครนัสแบบกรงทั่วไป

กล่าวโดยสรุป มอเตอร์แม่เหล็กถาวรมีประสิทธิภาพและตัวประกอบกำลังสูงมาก โครงสร้างเรียบง่าย และได้รับความนิยมอย่างมากในตลาดตลอดสิบปีที่ผ่านมา

อย่างไรก็ตาม การสูญเสียการกระตุ้นเป็นปัญหาที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในมอเตอร์แม่เหล็กถาวร เมื่อกระแสไฟฟ้าสูงเกินไปหรืออุณหภูมิสูงเกินไป อุณหภูมิของขดลวดมอเตอร์จะสูงขึ้นอย่างฉับพลัน กระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และแม่เหล็กถาวรจะสูญเสียการกระตุ้นอย่างรวดเร็ว ในการควบคุมมอเตอร์แม่เหล็กถาวร จะมีการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกินเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ไหม้ แต่การสูญเสียการกระตุ้นและการหยุดทำงานของอุปกรณ์ที่เกิดขึ้นนั้นเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้