Motor Types in Electric Vehicles — ชนิดมอเตอร์ EV
ระบบขับเคลื่อนนั้น เป็นหัวใจของรถยนต์ไฟฟ้า หรือ Electric Vehicle (EV) อย่างที่รู้กันว่ารถ EV ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าในการขับเคลื่อน โดยที่ มอเตอร์จะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า เป็นพลังงานกลในการหมุน ท้อให้ล้อหมุน และขับเคลื่อนรถ หรือกลับกันหากเป็นการเบรคแบบ Regenerative Braking
ชนิดของมอเตอร์ที่ใช้ในรถ EV นั้นมีหลากหลาย นั่นคือ Toyota Prius ใช้มอเตอร์แบบหนึ่ง Nissan Leaf, Tesla Model S และ BMW i3 ก็ใช้อีกแบบ ขึ้นอยู่กับความต้องการของการออกแบบ อาทิเช่น ต้องการกำลังสูง แรงบิดสูง ความเร็วสูง เสียงเบา ประหยัดพลังงาน หรือแม้กระทั่ง ขนาดเล็กและราคาถูก
ในบทความนี้ ผมจะพูดถึงข้อมูลทางเทคนิคของมอเตอร์ไฟฟ้า 8 แบบที่ใช้ในรถ EV โดยจะบอกถึงหลักการเบื้องต้น ข้อดี ข้อเสีย และตัวอย่างของมอเตอร์ชนิดนี้ในรถ EV
1. Brushed DC Motor
มอเตอร์แบบนี้ีจะมีชิ้นแม่เหล็กถาวร (Permanent Magnets) อยู่ที่ Stator และแปรงถ่าน (Brush) กับคอมมิวเตเตอร์ (Commutator) คอยจ่ายไฟ อยู่ที่ Rotor โดยที่ จะใช้ไฟ DC ในการทำให้มอเตอร์หมุน
ข้อดีของ Brushed DC Motor คือราคาถูก ควบคุมง่ายและ ให้แรงบิดสูงขณะที่ความเร็วต่ำ
ข้อเสียของ Brushed DC Motor คือ มีรูปร่างเทอะทะ ประสิทธิภาพต่ำ ความร้อนขณะทำงานสูง ต้องซ่อมแซม หรือเปลี่ยนแปรงถ่านบ่อย ทำให้มอเตอร์ชนิดนี้ไม่ถูกนิยมใช้ในรถ EV ในปัจจุบัน
2. Brushless DC (BLDC) Motor
มอเตอร์แบบนี้ีจะมีชิ้นแม่เหล็กถาวร (Permanent Magnets) อยู่ที่ Rotor และแหล่งจ่ายไฟ AC อยู่ที่ Stator โดยมอเตอร์ชนิดนี้จะไม่มีแปรงถ่าน (Brushless) และ Commutator และเนื่องจาก แต่ก่อน แหล่งจ่ายไฟภายนอกจะเป็น DC แล้วผ่าน Inverter มาเป็น AC ทำให้การเรียกชื่อเป็น Brushless DC Motor นั่นเอง
ข้อดีคือ ไม่มี Copper Loss ที่ Rotor ทำให้ประสิทธิภาพสูงกว่าแบบ Induction Motor (IM) มีน้ำหนักเบากว่า ประสิทธิภาพสูงกว่า แรงบิดมากกว่า และกำลังมากกว่าแบบ DC Motor และแบบ IM และไม่ต้องมีการซ่อมแซมบ่อยเหมือน DC Motor
ข้อเสียคือ ราคาของ Permanent Magnets ที่แพง การควบคุมที่ซับซ้อน และมีความกว้างของ Speed Range ที่ต่ำกว่า แบบ IM
Toyota Prius ปี 2005 ใช้มอเตอร์ชนิดนี้อยู่
3. Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)
มอเตอร์ชนิดนี้จะมีลักษณะคล้ายกับ BLDC แต่จะมีการควบคุม และโครงสร้างที่แตกต่างกันเพียงเล็กน้อย
ข้อดีคือ PMSM แบบ Interior และ Surface จะสามารถให้แรงบิดที่มากกว่า BLDC ได้ และด้วยการควบคุมแบบ Field Weakening แล้วจะทำให้ Speed Range กว้างขึ้นได้
ข้อเสียคือ จะมี Core Loss ที่สูงโดยธรรมชาติ และ Copper Loss ที่สูงขณะอยู่ในโหมด Field Weakening ในความเร็วสูง แต่ประสิทธิภาพรวมก็ยังคงดีกว่ามอเตอร์แบบอื่นอยู่ดี มีปัญหาของ Demagnetization จากแกนเหล็กที่ทำให้คุณสมบัติของมอเตอร์เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ และปัญหาการเริ่มออกตัว Motor
ผู้ผลิตหลายเจ้าใช้ PMSM มอเตอร์ เช่น Nissan Leaf, Soul EV และ Toyota Prius ปัจจุบัน เป็นต้น
4. Induction Motor (IM)
เป็นมอเตอร์ที่ใช้การเหนี่ยวนำระหว่างขดลวดที่ Stator และ Rotor ในการทำให้ Rotor หมุน สามารถควบคุมได้ง่ายเหมือน DC Motor โดยใช้เทคนิคของ Vector Control (FOC) และสามารถใช้โหมด Field Weakening เพื่อขยาย Speed Range ได้เหมือน PMSM
ข้อดีคือ มีราคาถูกกว่า ทนกว่า การควบคุมง่ายกว่า และมีเสถียรภาพมากกว่า PMSM
ข้อเสียคือ มีประสิทธิภาพน้อยกว่า PMSM เนื่องจาก Copper Loss ที่ขดลวด Rotor
ผู้ผลิตที่ใช้ IM เช่น Tesla Model S, Tesla Model X, Toyota RAV4, GM EV1 เป็นต้น
5. Switched Reluctance Motor (SRM)
เป็นมอเตอร์ที่มีขั้วยื่น (Salient Pole) อยู่ที่ทั้ง Rotor และ Stator โดยเมื่อจ่ายไฟฟ้าเข้าไปที่ Stator แล้ว จะทำให้ Rotor หมุนไปในแนวที่ทำให้ Reluctance ของเส้นทางการไหลของเส้นแรงแม่เหล็กน้อยที่สุด
ข้อดีคือ SRM มีความทนทาน มีโครงสร้างที่เรียบง่าย ราคาถูกในการผลิต มีระยะ Speed Range ที่กว้าง และกำลังส่งที่สูง ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานในรถ EV
ข้อเสียคือ ถึงแม้ว่า โครงสร้างของ SRM จะง่าย แต่การควบคุมนี้ยากและซับซ้อน มอเตอร์ SRM จะมีเสียงรบกวนที่ดัง เนื่องจากแรงบิดที่เกิดจากความต้านทานแม่เหล็ก หรือ Reluctance Torque และมีประสิทธิภาพที่ต่ำเมื่อเทียบกับ PMSM หรือ IM
ผู้ผลิตที่ใช้ SRM ในปัจจุบันคือ Chloride Lucas เป็นต้น
6. Synchronous Reluctance Motor (SynRM)
เป็นมอเตอร์ที่ทำงานที่ความเร็ว Sychronous และเพิ่มเส้นแรงแม่เหล็กโดยการเซาะร่องที่ตัว Rotor ตามแนวการไหลของเส้นแรงแม่เหล็ก ทำให้ Reluctance มีค่าต่ำ
ข้อดีคือ มอเตอร์ SynRM ทนทาน และเสถียรเหมือน IM และมีประสิทธิภาพสูง และขนาดเล็กเหมือน PMSM
ข้อเสียคือ การออกแบบ Rotor นั้นทำยาก การควบคุมที่ยาก และการผลิตรูปแบบของ Rotor ที่ซับซ้อน ทำให้ ประสิทธิภาพนั้นต่ำ
7. PM Assisted Synchronous Reluctance Motor (PM-SynRM)
มอเตอร์ชนิดนี้จะคล้ายกับ SynRM แต่จะใส่ Permanent Magnet เข้าไปใน Rotor เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้สูงขึ้น ซึ่งจะทำให้รูปแบบนี้คล้ายกับแบบ Interior PMSM เพียงแต่ว่า SynRM จะใช้แม่เหล็กถาวรที่น้อยกว่า และจะไม่มีปัญหาของ Demagnitization เหมือนแบบ PMSM
ข้อดีคือ มีประสิทธิภาพหรือ Power Factor สูงกว่าแบบ SynRM และไม่มีปัญหา Demagnitization เหมือนแบบ PMSM
ข้อเสียจะคล้ายกับแบบ SynRM นั่นคือ การออกแบบ Rotor นั้นยาก และการผลิตรูปแบบของ Rotor ที่ซับซ้อน
ผู้ผลิตที่ใช้ PM-SynRM คือ BRUSA Elektronik AG, BMW i3 เป็นต้น
8. Axial Flux Ironless Permanent Magnet Motor
เป็นมอเตอร์ที่การวาง Rotor และ Stator ไม่เหมือนแบบที่กล่าวมาทั้งหมด นั่นคือ จะวางแนว Axial นั่นคือมี Rotor ที่เป็นจารบินอยู่ตรงกลาง แล้วมี Stator ที่เป็นจารบินครอบทั้งสองข้าง ทำให้สามารถลด Core Loss ลงได้อย่างมาก และน้ำหนักเบาขึ้น
ข้อดีคือ มอเตอร์ชนิดนี้ มีรูปแบบพิเศษที่สามารถฝังลงในตัวล้อของรถ EV ได้เลย และประสิทธิภาพที่สูงเนื่องจาก Core Loss และ Copper Loss ที่มอเตอร์นั้นลดลงอย่างมากเนื่องจากโครงสร้างแบบ Axial
ข้อเสียคือ เป็นมอเตอร์ชนิดใหม่ที่ยังไม่ค่อยมีการพัฒนา ทำให้เทคโนโลยีการควบคุมยังไม่เสถียรมากนัก และราคาการผลิตยังคงสูงอยู่ เนื่องจากปริมาณที่น้อย
ผู้ผลิตที่ใช้มอเตอร์ชนิดนี้คือ Renovo Coupe เป็นต้น
จะเห็นว่า การเลือกชนิดของมอเตอร์ให้เหมาะสมในการขับเคลื่อนรถ EV เป็นสิ่งที่สำคัญ ที่บ่งบอกถึงจุดประสงค์ของรถ EV คันนั้น ว่าเป็นแบบ ประหยัดพลังงาน เสียงเบา หรือกำลังส่งสูง เป็นต้น โดยที่หากเราจะสร้าง EV มาสักคันหนึ่ง ก็ควรจะเลือกชนิดมอเตอร์ให้เหมาะสมด้วย
ถ้าชอบโพสนี้ และอยากได้อัพเดทข้อมูลเกี่ยวกับเทคโนโลยีของ EV ในอนาคต ก็สามารถกด Follow ได้เลยนะครับบ :)
