ปัจจัยใดที่ทำให้มอเตอร์มีประสิทธิภาพต่ำ?

มอเตอร์เป็นส่วนประกอบด้านกำลังหลักของระบบยานยนต์สมัยใหม่ และประสิทธิภาพของมอเตอร์ส่งผลโดยตรงต่อสมรรถนะของยานพาหนะ การใช้พลังงาน และอายุการใช้งาน สำหรับมอเตอร์ยานยนต์—รวมถึงมอเตอร์ฉุด EV, มอเตอร์ระบบส่งกำลังแบบไฮบริด และมอเตอร์เสริม—ประสิทธิภาพต่ำจะช่วยลดช่วง EV, เพิ่มการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง HEV และเพิ่มค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาระยะยาวเนื่องจากการสึกหรอที่เร็วขึ้น

ความไร้ประสิทธิภาพของมอเตอร์ส่วนใหญ่มาจากการสูญเสียที่สำคัญ 5 ประการ ได้แก่ การสูญเสียทองแดงของสเตเตอร์ การสูญเสียทองแดงของโรเตอร์ การสูญเสียจากการหลงทาง การสูญเสียธาตุเหล็ก และการสูญเสียทางกล การสูญเสียเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการปฏิบัติงาน และการทำความเข้าใจสาเหตุเป็นสิ่งสำคัญในการปรับปรุงมอเตอร์ให้ตรงตามมาตรฐานประสิทธิภาพอุตสาหกรรมที่เข้มงวด บทความนี้จะวิเคราะห์การสูญเสียแต่ละประเภท ผลกระทบต่อการใช้งานด้านยานยนต์ และปัจจัยสนับสนุนหลัก

I. บทนำ

ความต้องการมอเตอร์ยานยนต์ประสิทธิภาพสูงกำลังเพิ่มขึ้นท่ามกลางการใช้พลังงานไฟฟ้าทั่วโลกและกฎระเบียบด้านการปล่อยมลพิษที่เข้มงวดมากขึ้น ประสิทธิภาพของมอเตอร์หมายถึงอัตราส่วนของกำลังทางกลเอาท์พุตต่อกำลังไฟฟ้าอินพุต โดยพลังงานที่กระจายไป (ความร้อน เสียง แรงเสียดทาน) จัดเป็นการสูญเสีย แตกต่างจากมอเตอร์อุตสาหกรรมในสภาพแวดล้อมที่มั่นคง มอเตอร์ในยานยนต์ทำงานแบบไดนามิกด้วยความเร็ว โหลด และอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดการสูญเสียมากขึ้นและจำเป็นต้องปรับประสิทธิภาพให้เหมาะสมตามเป้าหมาย

ประสิทธิภาพต่ำส่งผลเสียโดยตรงต่อสมรรถนะของยานพาหนะ โดยสามารถลดช่วง EV ลง 5-15% และเพิ่มการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง HEV ขึ้น 3-8% ความร้อนที่มากเกินไปจากการสูญเสียจะทำให้ส่วนประกอบสึกหรอเร็วขึ้น สร้างความเสียหายให้กับขดลวดและแบริ่ง และกระตุ้นการป้องกันความร้อนที่จำกัดเอาท์พุต การระบุสาเหตุการสูญเสียช่วยให้ผู้ผลิตออกแบบมอเตอร์และทีมบำรุงรักษาที่ทนทานและมีประสิทธิภาพได้ดำเนินการแก้ไขตามเป้าหมาย

ครั้งที่สอง การสูญเสียทองแดงของสเตเตอร์

อิทธิพลหลัก

การสูญเสียทองแดงของสเตเตอร์หรือที่เรียกว่าการสูญเสีย I²R เป็นสาเหตุหลักของความไร้ประสิทธิภาพของมอเตอร์ ซึ่งคิดเป็น 30-50% ของการสูญเสียทั้งหมดภายใต้สภาวะการทำงานปกติ และเพิ่มขึ้นเป็น 60% ในระหว่างสถานการณ์ที่มีโหลดสูง เช่น การขับรถขึ้นเนินหรือการลากจูงของหนัก การสูญเสียเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดสเตเตอร์ ทำให้เกิดความร้อนเนื่องจากความต้านทานโดยธรรมชาติของตัวนำทองแดง ตามกฎของจูล (การสูญเสียจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของกระแสไฟฟ้าและความต้านทานของขดลวด) อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่เกิดขึ้นไม่เพียงแต่ลดประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานเท่านั้น แต่ยังเสี่ยงต่อการทำลายฉนวนอีกด้วย ในขณะที่การลดกำลังขับส่งผลโดยตรงต่ออัตราเร่งและความสามารถในการลากจูงของยานพาหนะ

สาเหตุเฉพาะ

1. ความต้านทานของขดลวด: ความต้านทานของขดลวดเชื่อมโยงโดยตรงกับการสูญเสียทองแดงผ่านสูตร R = ρL/A (ความต้านทาน × ความยาว / พื้นที่หน้าตัด) ลวดเส้นเล็ก ขดลวดที่ยาวกว่า วัสดุทองแดงที่ไม่บริสุทธิ์ หรือการออกซิเดชันของตัวนำ ล้วนเพิ่มความต้านทาน ตัวอย่างเช่น ลวดทองแดงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม. มีความต้านทานสูงกว่าลวดขนาด 2 มม. ที่มีความยาวเท่ากันถึงสี่เท่า ซึ่งทำให้สูญเสียทองแดงเป็นสองเท่าสำหรับกระแสไฟเดียวกัน ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญในขนาดกะทัดรัดมอเตอร์ไฟฟ้าอัตโนมัติโดยที่พื้นที่จำกัดจำกัดขนาดสายไฟ

2. ความหนาแน่นกระแส: ความหนาแน่นกระแสที่สูงขึ้น (แอมป์ต่อพื้นที่สายไฟหนึ่งหน่วย) จะทำให้การสูญเสียทองแดงรุนแรงขึ้นอย่างมาก มอเตอร์ยานยนต์สมรรถนะสูง เช่น มอเตอร์ฉุด EV โดยทั่วไปจะทำงานที่ 20-30 A/มม.² ในขณะที่การโอเวอร์โหลดสามารถดันไปที่ 35+ A/มม.² ได้ มอเตอร์สตาร์ทแบบดั้งเดิมประสบกับความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าชั่วคราวที่ 50+ A/mm² ในระหว่างการสตาร์ทขณะเครื่องเย็น ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงในการสูญเสีย และสร้างความเครียดให้กับฉนวนของขดลวดมากขึ้น

3. ข้อบกพร่องในการม้วน: เทคนิคการม้วนที่ไม่ดี (ระยะห่างไม่สม่ำเสมอ การเชื่อมต่อหลวม) ทำให้เกิดฮอตสปอตและเพิ่มความต้านทาน ซึ่งอาจทำให้เกิดการลัดวงจรเมื่อเวลาผ่านไป

4. การย่อยสลายด้วยความร้อน: อุณหภูมิสูงจะช่วยลดการนำทองแดงและฉนวนที่สร้างความเสียหาย เพิ่มความต้านทานและสร้างวงจรการขยายการสูญเสีย

III. การสูญเสียทองแดงของโรเตอร์

อิทธิพลหลัก

การสูญเสียทองแดงของโรเตอร์เกิดขึ้นเฉพาะกับมอเตอร์ยานยนต์เหนี่ยวนำ ซึ่งเป็นทางเลือกทั่วไปสำหรับระบบส่งกำลังแบบไฮบริด และเกิดจากกระแสเอ็ดดี้ที่เกิดขึ้นในขดลวดของโรเตอร์และการลื่นไถลระหว่างสนามแม่เหล็กสเตเตอร์และโรเตอร์ การสูญเสียเหล่านี้คิดเป็น 10-20% ของการสูญเสียทั้งหมด ณ น้ำหนักบรรทุกที่กำหนด และอาจเพิ่มขึ้นถึง 30% ที่ความเร็วต่ำ ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งในการขับขี่ในเมืองที่มีการหยุดและสตาร์ทบ่อยครั้ง การให้ความร้อนของโรเตอร์จะช่วยลดแรงบิดที่ส่งออกได้ 5-8% ซึ่งส่งผลเสียโดยตรงต่อการประหยัดเชื้อเพลิง HEV และระยะการขับขี่แบบปลั๊กอินไฮบริด

สาเหตุเฉพาะ

1. สลิป: สลิปหมายถึงความแตกต่างความเร็วระหว่างสนามแม่เหล็กสเตเตอร์และความเร็วโรเตอร์จริง การลื่นไถลที่สูงขึ้น (3-8% ภายใต้ภาระหนักหรือการเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว เมื่อเทียบกับ 1-2% ที่การเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง) จะทำให้กระแสของโรเตอร์เพิ่มขึ้นและทำให้สูญเสียทองแดง ตัวอย่างเช่น มอเตอร์เหนี่ยวนำขนาด 20kW ที่ทำงานโดยสลิป 5% ที่ 1,000 RPM จะประสบกับการสูญเสียทองแดงของโรเตอร์สูงกว่า 2.5 เท่าเมื่อทำงานที่สลิป 1% ทำให้เกิดข้อกังวลหลักสำหรับประสิทธิภาพการขับขี่ในเมือง

2. ความต้านทานของโรเตอร์: โรเตอร์อะลูมิเนียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในมอเตอร์ยานยนต์ที่คุ้มค่า เช่น อัลเทอร์เนเตอร์ มีความต้านทานสูงกว่าโรเตอร์ทองแดงถึง 63% ส่งผลให้สูญเสียทองแดงมากขึ้น 20-30% สำหรับการออกแบบเดียวกัน การปนเปื้อนจากเกลือหรือความชื้นในท้องถนน ตลอดจนการเชื่อมต่อที่หลวมระหว่างแท่งโรเตอร์และวงแหวนปลายสาย ช่วยเพิ่มความต้านทานและเพิ่มการสูญเสียเมื่อเวลาผ่านไป

3. กระแสหมุนวนของโรเตอร์: กระแสสเตเตอร์ความถี่สูง (จาก VFD) กระตุ้นให้เกิดกระแสโรเตอร์เพิ่มเติม ช่วยเพิ่มการสูญเสียทองแดงในมอเตอร์ไฟฟ้าอัตโนมัติสมัยใหม่

IV. การสูญเสียหลงทาง

อิทธิพลหลัก

การสูญเสียที่หลงทางหรือที่เรียกว่าการสูญเสียเบ็ดเตล็ด คิดเป็น 5-15% ของการสูญเสียทั้งหมดภายใต้การทำงานปกติ และมากถึง 20% ในมอเตอร์ยานยนต์ความถี่สูง เช่น มอเตอร์ที่ขับเคลื่อนโดยระบบ EV 800V การสูญเสียเหล่านี้เกิดขึ้นนอกขดลวดสเตเตอร์หลักและขดลวดโรเตอร์ ซึ่งวัดโดยตรงได้ยาก และแสดงออกมาเป็นความร้อนและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) EMI สามารถรบกวนระบบอิเล็กทรอนิกส์ของยานพาหนะ เช่น เซ็นเซอร์และระบบสาระบันเทิง ในขณะที่ความร้อนส่วนเกินจะช่วยเร่งการเสื่อมสภาพของฉนวน ส่งผลให้การสูญเสียที่หลงทางถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญสำหรับมอเตอร์ยานยนต์ความเร็วสูง

สาเหตุเฉพาะ

1. สนามแม่เหล็กรั่ว: ไม่ใช่ฟลักซ์แม่เหล็กทั้งหมดที่เกิดจากการเชื่อมโยงสเตเตอร์กับโรเตอร์ การรั่วไหลบางส่วนเข้าไปในเฟรมมอเตอร์ แผงกั้นปลาย หรือส่วนประกอบที่อยู่ติดกัน (เรียกว่าตัวเหนี่ยวนำการรั่วไหล) ฟลักซ์การรั่วไหลนี้ทำให้เกิดกระแสเอ็ดดี้ในส่วนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ทำให้เกิดความร้อนและการสูญเสียจากการหลงทาง มอเตอร์รถยนต์ขนาดกะทัดรัดที่มีช่องว่างอากาศขนาดเล็ก (เช่น มอเตอร์ดุมล้อ) จะสูญเสียการหลงทางที่สูงขึ้น 30-40% เนื่องจากส่วนประกอบอยู่ใกล้กัน ซึ่งผู้ผลิตสามารถบรรเทาได้ด้วยการรวมตัวกั้นฟลักซ์ที่ไม่ใช่สนามแม่เหล็กเข้ากับโครงมอเตอร์

2. ฮาร์โมนิค: ฮาร์โมนิคความถี่สูงที่สร้างโดย VFD จะขยายการสูญเสียที่หลงทาง 2-3 เท่า การกรองที่ไม่ดีจะทำให้การสูญเสียประสิทธิภาพและ EMI ในมอเตอร์ไฟฟ้าอัตโนมัติ EV แย่ลง

3. ความไม่สมมาตร: การวางแนวสเตเตอร์กับโรเตอร์ไม่ตรงหรือข้อบกพร่องจากการผลิตทำให้สนามแม่เหล็กบิดเบี้ยว สูญเสียเพิ่มมากขึ้น—แย่ลงจากการสั่นสะเทือนของยานพาหนะ

V. การสูญเสียธาตุเหล็ก

อิทธิพลหลัก

การสูญเสียธาตุเหล็กหรือการสูญเสียแกนกลาง มีสาเหตุมาจากฮิสเทรีซิสแม่เหล็กและกระแสเอ็ดดี้ในแกนสเตเตอร์และโรเตอร์ คิดเป็น 10-25% ของการสูญเสียทั้งหมดที่ความเร็วพิกัด และมากถึง 40% ที่ความเร็วสูง (15,000+ RPM) การสูญเสียเหล่านี้เพิ่มขึ้นตามความถี่ในการทำงานกำลังสอง ทำให้เกิดข้อกังวลหลักสำหรับมอเตอร์ยานยนต์แบบปรับความเร็วได้ มอเตอร์ EV ที่ทำงานที่ 10,000 RPM จะมีการสูญเสียธาตุเหล็กสูงกว่าที่ 3,000 RPM ถึงเก้าเท่า ซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพและระยะการขับขี่ที่ความเร็วสูง

สาเหตุเฉพาะ

1. การสูญเสียฮิสเทรีซิส: การสูญเสียฮิสเทรีซิสเป็นผลมาจากแม่เหล็กซ้ำและการลดอำนาจแม่เหล็กของวัสดุแกนกลาง (โดยทั่วไปคือเหล็กซิลิคอน) ในขณะที่สนามแม่เหล็กสเตเตอร์สลับกัน เหล็กซิลิกอนเกรดสูงที่มีวงฮิสเทรีซีสแคบช่วยลดการสูญเสียเหล่านี้ได้ 15-20% เมื่อเทียบกับวัสดุเกรดต่ำ ในมอเตอร์ยานยนต์ที่มีแม่เหล็กถาวร ความหนาแน่นฟลักซ์ของแม่เหล็กยังส่งผลต่อการสูญเสียฮิสเทรีซิสด้วย ซึ่งจำเป็นต้องมีการจับคู่วัสดุอย่างระมัดระวังในระหว่างการออกแบบ

2. การสูญเสียกระแสไหลวน: สัดส่วนกับความหนาและความถี่ในการเคลือบกำลังสอง การเคลือบฉนวนบางช่วยลดการสูญเสียได้ 60-70% ในมอเตอร์ไฟฟ้าอัตโนมัติที่ขับเคลื่อนด้วย VFD

3. ความอิ่มตัวของแม่เหล็ก: ฟลักซ์ที่มากเกินไปจะบิดเบือนสนาม ทำให้เกิดการสูญเสียเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับมอเตอร์ยานยนต์ที่มีแรงบิดสูงซึ่งต้องมีการออกแบบแกนกลางอย่างระมัดระวัง

วี. การสูญเสียทางกล

อิทธิพลหลัก

การสูญเสียทางกลที่เกิดจากแรงเสียดทานและแรงลม (แรงต้านอากาศ) คิดเป็น 5-10% ของการสูญเสียทั้งหมดที่ความเร็วพิกัด และสูงถึง 25% ที่ความเร็วสูงพิเศษ (20,000+ RPM) สำหรับมอเตอร์ EV ประสิทธิภาพสูง การสูญเสียเหล่านี้จะคงที่ที่ความเร็วที่กำหนดและมีความสำคัญในระหว่างการขับขี่บนทางหลวงเป็นเวลานาน โดยจะลดแรงบิดเอาท์พุตลง 3-5% และส่งผลโดยตรงต่อช่วง EV ทุกๆ 1% ของการสูญเสียทางกลที่ลดลงสามารถขยายระยะการขับขี่ได้ 0.5-1% ทำให้เป็นเป้าหมายหลักในการเพิ่มประสิทธิภาพ

สาเหตุเฉพาะ

1. แรงเสียดทานของแบริ่ง: แบริ่งมีส่วนช่วย 60-70% ของการสูญเสียทางกลทั้งหมด การหล่อลื่นที่ไม่ดี รางแบริ่งสึกหรอ เพลาไม่ตรง หรือมีโหลดล่วงหน้ามากเกินไป อาจทำให้สูญเสียแรงเสียดทานเป็นสองเท่า จาระบีโพลียูเรียสังเคราะห์หรือเพอร์ฟลูออโรโพลีอีเทอร์มีประสิทธิภาพเหนือกว่าจาระบีที่ใช้ลิเธียมแบบดั้งเดิมในช่วงอุณหภูมิของยานยนต์ (-40°C ถึง 150°C) ช่วยรักษาแรงเสียดทานต่ำในมอเตอร์ไฟฟ้าอัตโนมัติที่ทำงานภายใต้สภาวะที่รุนแรง

2. การสูญเสีย Windage: สัดส่วนกับความเร็วยกกำลังสอง การออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์และการหล่อลื่นละอองน้ำมันช่วยลดการสูญเสียในมอเตอร์ยานยนต์ความเร็วสูง

3. แรงเสียดทานของซีล: ซีลที่สึกหรอจะเพิ่มแรงเสียดทานและความเสี่ยงในการรั่วไหล สร้างความเสียหายให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าอัตโนมัติ และลดประสิทธิภาพ

ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว ข้อควรพิจารณาที่สำคัญสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าอัตโนมัติและมอเตอร์ยานยนต์

การเพิ่มประสิทธิภาพมอเตอร์ไฟฟ้าอัตโนมัติต้องกำหนดเป้าหมายไปที่สภาวะเฉพาะของยานยนต์ กลยุทธ์สำคัญสำหรับผู้ผลิตและทีมบำรุงรักษา ได้แก่:

1. การเลือกใช้วัสดุ: การใช้ทองแดงที่ปราศจากออกซิเจนการนำไฟฟ้าสูงสำหรับขดลวดจะช่วยลดการสูญเสียทองแดงได้ 20-30% เมื่อเทียบกับอลูมิเนียม เหล็กซิลิกอนสูญเสียต่ำหรือแกนโลหะอสัณฐานช่วยลดการสูญเสียเหล็ก ในขณะที่แบริ่งเซรามิก (ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีต่ำกว่าเหล็ก) และจาระบีสังเคราะห์จะช่วยลดการสูญเสียทางกล การอัพเกรดวัสดุเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อมอเตอร์ยานยนต์ประสิทธิภาพสูง

2. การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ: การทำให้ลวดพันหนาขึ้นและการใช้ขดลวดระยะสั้นจะช่วยลดความต้านทานและความหนาแน่นกระแส การลดช่องว่างอากาศของสเตเตอร์-โรเตอร์ (เหลือ 0.3-0.5 มม. สำหรับมอเตอร์ที่มีความแม่นยำ) ช่วยลดฟลักซ์การรั่วไหลและการสูญเสียที่หลงทาง การออกแบบโรเตอร์ตามหลักอากาศพลศาสตร์และระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยการลดการสูญเสียลมและการกระจายความร้อนจากการทำงานที่มีภาระสูง

3. การควบคุมคุณภาพ: การตรวจสอบการผลิตและส่วนประกอบที่แม่นยำจะช่วยลดข้อบกพร่องที่ทำให้เกิดการสูญเสียในมอเตอร์ยานยนต์

4. การบำรุงรักษา: การเปลี่ยนตลับลูกปืน/ซีล การหล่อลื่น และการปรับแต่ง VFD เป็นประจำช่วยรักษาประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของมอเตอร์

8. บทสรุป

ประสิทธิภาพของมอเตอร์ในยานยนต์ต่ำเป็นผลสะสมของการสูญเสียทางไฟฟ้าและทางกล ซึ่งขยายวงกว้างขึ้นจากสภาวะการทำงานที่รุนแรงและไดนามิกของระบบยานยนต์ สำหรับรถยนต์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้า การลดการสูญเสียตามเป้าหมายไม่ได้เป็นเพียงความจำเป็นด้านประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังเป็นปัจจัยสำคัญที่ช่วยให้มีระยะทางที่ยาวขึ้นและต้นทุนการเป็นเจ้าของที่ลดลงอีกด้วย

การทำความเข้าใจสาเหตุและผลกระทบของการสูญเสียแต่ละประเภทช่วยให้ผู้ผลิตสามารถออกแบบมอเตอร์ไฟฟ้าอัตโนมัติและทีมบำรุงรักษาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อใช้มาตรการเชิงรุก ในขณะที่อุตสาหกรรมยานยนต์ก้าวหน้าไปสู่การใช้พลังงานไฟฟ้าเต็มรูปแบบ การเพิ่มประสิทธิภาพมอเตอร์จะยังคงเป็นจุดสนใจหลักในการบรรลุเป้าหมายความยั่งยืนและเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันของยานพาหนะ