موتور جریان مستقیم ۱۲ ولت به دلیل عملکرد عالیاش در کنار سیستمهای برقی موجود در خودروها، انتخاب اصلی برای حرکات داخل کابین و شاسی شده است. این موتورها کنترل بسیار خوبی بر گشتاور فراهم میکنند که برای کاربردهایی مانند پنجرههای برقی، تنظیم صندلیها و جابهجایی آینهها ضروری است. علاوه بر این، از آنجا که این موتورها ابعاد نسبتاً کوچکی دارند، مکانیکها میتوانند آنها را حتی در فضاهای باریکی نصب کنند که قطعات بزرگتر در آنجا جا نمیگیرند. این موتورها برای تحمل دماهای سختگیرانهای طراحی شدهاند که از منفی ۴۰ درجه سانتیگراد تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد متغیر است و در هر شرایط آبوهوایی یا جادهای، عملکرد قابل اعتمادی ارائه میدهند. استفاده از ولتاژ استاندارد ۱۲ ولت به معنای عدم نیاز به تبدیلکنندههای پیچیده جریان مستقیم به جریان مستقیم است که این امر باعث کاهش حدود سی درصدی دردسرهای ناشی از سیمکشی نسبت به سیستمهایی میشود که از ولتاژهای متفاوتی استفاده میکنند. برای تولیدکنندگانی که از نظر بودجه حساس هستند، نسخههای دارای جاروبک (Brushed) همچنان جذابیت دارند، زیرا معمولاً ۴۰ تا ۶۰ درصد ارزانتر از نسخههای بدون جاروبک (Brushless) هستند. با این حال، هر دو نوع از این موتورها در برابر ارتعاشات مقاومت قابل توجهی نشان میدهند و تا صدها هزار عملیات را بدون نشانهای از سایش طی میکنند.
شبکهٔ ۱۲ ولت در سراسر خودرو بهعنوان پلتفرم اساسی برای ادغام عملگرها عمل میکند موتور جریان مستقیم ۱۲ ولت و امکان سازگاری «اتصال و استفاده» را از طریق مدیریت متمرکز توان فراهم میسازد. اتصال مستقیم به باتریهای شارژشده توسط آلترناتور، نیاز به سختافزار تبدیل ولتاژ را از بین میبرد. این معماری یکپارچه سه مزیت کلیدی ارائه میدهد:
توزیع هوشمند توان، موتورهای حیاتی از نظر ایمنی—مانند ترمزهای پارکینگ الکترونیکی—را در شرایط تقاضای اوج اولویتبخشی میکند تا پایداری حرارتی حفظ شده و عمر باتری با کاهش نوسانات ولتاژ افزایش یابد. حتی در میان روند رو به رشد پذیرش سیستمهای هیبریدی خفیف ۴۸ ولتی و سیستمهای کششی با ولتاژ بالا، زیرساخت ۱۲ ولتی همچنان برای اعمال کمکی و عملگرها با توان پایین غیرقابلاجتناب باقی میماند.
برای سیستمهای هیدرولیک کمکگردش الکتریکی (EPS) و ترمز ایستایی الکترونیکی (EPB)، موتورهای جریان مستقیم ۱۲ ولت گشتاور حیاتی لازم را فراهم میکنند، زیرا قابلیت اطمینان در این سیستمها بههیچوجه نباید قربانی شود. مشخصات فنی اینجا نیز بسیار سختگیرانه است: این سیستمها باید حتی در شرایط افراطی — از دمای منفی ۴۰ درجه سانتیگراد (یخزده) تا دمای مثبت ۱۵۰ درجه سانتیگراد (بسیار داغ) — بهطور پیوسته گشتاوری بیش از ۱۵ نیوتنمتر تولید کنند. برای جلوگیری از خرابیها، مهندسان اغلب اجزای اضافی (پشتیبان) مانند تنظیمات دوگانه سیمپیچی را در طراحی گنجاندهاند؛ یعنی مسیرهای پشتیبانی ایجاد میشوند تا از اینکه یک نقطه خرابی باعث از کار افتادن کل سیستم شود، جلوگیری شود. امروزه سازندگان بیشتر و بیشتری به سمت موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) روی میآورند، زیرا این موتورها تداخل الکترومغناطیسی (EMI) بسیار کمتری ایجاد میکنند. این امر اهمیت زیادی دارد، چرا که امروزه خودروهای مدرن مملو از الکترونیکهای حساس هستند — از سیستمهای پیشرفته کمکراننده (ADAS) تا واحدهای سرگرمی و اطلاعات (Infotainment) — و هیچکس نمیخواهد سیگنالها بهدلیل مشکلات تداخل الکترومغناطیسی (EMI) مخدوش شوند؛ چرا که این امر منجر به نقض استانداردهای سختگیرانه CISPR 25 میشود.
پنکههای سیستم تهویه مطبوع (HVAC) که در خودروها مشاهده میشوند و همچنین پنکههای خنککننده موتور، بهطور قابلتوجهی به موتورهای جریان مستقیم ۱۲ ولتی وابستهاند که میتوانند سرعت خود را بر اساس دادههای حسگرها بهصورت پویا تنظیم کنند. این سیستمهای تهویه مطبوع باید بتوانند دبی هوایی بین ۱۵۰ تا ۴۵۰ فوت مکعب در دقیقه را مدیریت کنند تا راحتی سرنشینان در داخل خودرو حفظ شود. در همین حال، پنکههای رادیاتور وظیفهای سختتر دارند: کنترل دمای موتور در شرایط متغیر — از حالت بیحرکت در شهر تا شتاب کامل. هنگامی که از روش کنترل ماژولاسیون عرض پالس (PWM) بهجای سیستمهای سرعت ثابت استاندارد استفاده میشود، این اجزا در مجموع حدود ۳۰ درصد انرژی بیشتری صرفهجویی میکنند. علاوه بر این، سازندگان قطعات روتور را با دقت بالایی تعادلدهی میکنند تا حتی در حداکثر بار کاری، سطح نویز زیر ۴۵ دسیبل (بر اساس وزندهی A) باقی بماند. برای افزایش طول عمر در شرایط سخت زیر کاپوت — جایی که دما بالا و آلودگی زیاد است — اکثر طراحیها شامل یاتاقانهای دربسته و پوستهای با درجه حفاظت IP67 در برابر نفوذ گرد و غبار و آب هستند.
| عامل عملکرد | پنکههای سیستم تهویه مطبوع (HVAC) | ماشینهای تهویهای سازگار با فراز |
|---|---|---|
| محدوده توان معمولی | ۸۰–۲۰۰ وات | ۱۲۰–۳۰۰ وات |
| الزام حیاتی | سر و صدای آکوستیکی پایین | تحمل حرارتی بالا |
| روش کنترل | ولتاژ متغیر | کنترل سرعت با عرضه پالسی (PWM) |
این قابلیت تطبیقی، موتورهای جریان مستقیم ۱۲ ولت را به بخشی اصلی در مدیریت هوشمند حرارتی در تمامی ردههای خودرو تبدیل میکند.
انتخاب موتور جریان مستقیم ۱۲ ولت مناسب به معنای تعادل بین سه عامل اصلی است: نوع کار مکانیکی که موتور باید انجام دهد، محل نصب آن و فضای موجود. گشتاور و سرعت موتور باید دقیقاً با نیازهای کاربرد مورد نظر تطبیق داشته باشند. بهعنوان مثال، سیستمهای هیدروالیک کمککننده فرمان الکتریکی (EPS) معمولاً به حدود ۱۵ تا ۲۰ نیوتنمتر گشتاور پیوسته نیاز دارند. اما شیبدهندههای سیستم تهویه مطبوع (HVAC) متفاوت هستند، زیرا برای کنترل صحیح جریان هوا باید دور در دقیقه (RPM) خود را بهطور مداوم تنظیم کنند. موتورهایی که در محیطهای سختگیرانه استفاده میشوند باید در برابر دماهای شدید از ۴۰- درجه سانتیگراد تا ۱۵۰+ درجه سانتیگراد مقاومت کنند و همچنین باید محافظت مناسبی در برابر گرد و غبار، آب و مواد شیمیایی داشته باشند (درجه حفاظت IP67). فضای موجود نیز اهمیت دارد. برخی از عملگرهای ترمز پارکینگ الکترونیکی در بستهبندیهای بسیار فشردهای قرار میگیرند — گاهی اوقات تنها در یک استوانهٔ ۸۰ میلیمتری جا میشوند، اما همچنان قادر به تولید ۳۰ نیوتنمتر گشتاور نگهدارنده هستند. آزمایشهای واقعی نشان میدهند که اگر موتور بهدرستی انتخاب نشود، در صورت کارکرد با ظرفیت ۱۲۰٪، ممکن است در عرض تنها ۱۵ دقیقه داغ شود. بههمین دلیل، محاسبات دقیق انتخاب اندازه مناسب و کاهش ظرفیت (derating) برای عملکرد قابلاطمینان بسیار حیاتی هستند.
طراحان در انتخاب بین معماریهای موتور جریان مستقیم ۱۲ ولت با سیمپیچگذاری شده و بدون سیمپیچگذاری، مزایا و معایب اساسی را مورد ارزیابی قرار میدهند:
| پارامتر | موتور دی سی فرشاده | موتور DC بیفرش |
|---|---|---|
| هزینه | ۳۰ تا ۵۰ درصد پایینتر در هزینه اولیه | ۶۰–۸۰ درصد بیشتر |
| کارایی | ۶۰–۷۵ درصد (تلفات ناشی از اصطکاک و جرقهزدن جاروبکها) | ۸۵–۹۰ درصد (جایگزینی الکترونیکی جریان) |
| EMI | بالا (جرقهزدن جاروبکها تولید کنندهٔ نویز پهنباند است) | پایین (انطباقپذیر با استاندارد ISO 7637-2 از نظر تداخل الکترومغناطیسی) |
| طول عمر | ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ ساعت (محدود به سایش جاروبکها) | ۱۰۰۰۰ ساعت یا بیشتر (بدون جایگزینی مکانیکی جریان) |
برای کارهای دورهای که در آنها هزینه اهمیت بیشتری دارد، موتورهای جاروبکدار همچنان در اجزایی مانند صندلیهای خودرو که حرکت میکنند یا سقفهای شیشهای که باز و بسته میشوند، عملکرد خوبی دارند. جاروبکها بهسرعت فرسوده نمیشوند، زیرا این قطعات در طول روز بهصورت مداوم کار نمیکنند. از سوی دیگر، موتورهای BLDC امروزه انتخاب اصلی برای اجزای حیاتی ایمنی مانند سیستمهای ترمز الکترونیکی و فرمانهای هیدرولیکی (پاوراستیل) شدهاند. این موتورها اصلاً با سایر تجهیزات الکترونیکی تداخل ندارند (منظور از «مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی» یا EMI immunity همین است) و علاوه بر این، عمر طولانیتری داشته و عملکرد کلی بهتری ارائه میدهند. و نکته جالب اینکه هنگامی که خودروها از موتورهای جاروبکدار به موتورهای BLDC تغییر میکنند، در سفرهای شهری با توقف و حرکت مکرر حدود ۱٫۵٪ سوخت صرفهجویی میکنند. این رقم شاید چندان چشمگیر نباشد، اما در بلندمدت و بهویژه در خودروهای مدرن که بهطور مداوم در ترافیک متوقف و راهاندازی میشوند، تأثیر قابلتوجهی دارد.
سیستمهای موتور جریان مستقیم ۱۲ ولتی که در خودروها استفاده میشوند، باید بسیار قابل اعتماد باشند، بهویژه زمانی که وظایفی را بر عهده دارند که بر ایمنی تأثیر میگذارند. ترمزهای پارکینگ الکترونیکی تنها یکی از نمونههای بارز این مورد هستند. این اجزا باید در طول کل عمر خود — که معمولاً طبق استانداردهای ایزو ۲۶۲۶۲:۲۰۱۸ در زمینه ایمنی عملکردی حدود ده سال تخمین زده میشود — تقریباً کاملاً بدون مشکل باقی بمانند. نرخ خرابی باید کمتر از ۰٫۰۱٪ باشد؛ این عدد ظاهراً بسیار کوچک به نظر میرسد، اما در عمل چالشی بزرگ برای تولیدکنندگان محسوب میشود. تأمین تمام این الزامات تنها مربوط به یک بعد نیست. بلکه چند حوزه مختلف وجود دارد که رعایت استانداردها در آنها اهمیت دارد. اول اینکه سازگاری الکترومغناطیسی که توسط استاندارد سیاسپیاسآر ۲۵ پوشش داده میشود. سپس مقاومت سیستم در برابر نفوذ گرد و غبار و آب که بر اساس رتبهبندی IP6K9K مشخص شده است. و در نهایت، این موتورها باید حتی در دماهای شدید — از ۴۰- درجه سانتیگراد تا ۱۵۰+ درجه سانتیگراد — بهدرستی کار کنند.
صنعت به وضوح در این روزها در حال حرکت به سمت راهحلهای فعالسازی هوشمندتر و سبزتر است. موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) به سرعت در همهجا در حال گسترش هستند و بر اساس گزارشهای اخیر انجمن مهندسان خودرو (SAE)، هزینههای نگهداری نسبت به موتورهای معمولی با جاروبک حدود ۶۰٪ کاهش یافته است. کنترلکنندههای هوشمندی که در سیستمهای مدرن ادغام شدهاند، میتوانند واقعاً مشکلات را پیش از وقوع پیشبینی کنند؛ این امر بدانخاطر امکانپذیر شده است که فناوری پیشرفته حسگری جریان قادر است عیوبی مانند سایش پیچشهای سیمپیچ یا خرابی بلبرینگها را بسیار زودتر از آنکه هرگونه خرابی کاملی رخ دهد، شناسایی کند. طراحیهای جدیدتر موتورهای دوطرفه نیز توجه زیادی را به خود جلب کردهاند، بهویژه در سیستمهای هیبریدی ملایم ۴۸ ولتی که در رویدادهای ترمزگیری حدود ۵٪ انرژی را بازیابی میکنند. سازندگان از پلتفرمهای ماژولار استاتور خوشحال هستند، زیرا این پلتفرمها هزینههای بازطراحی تجهیزات را حدود ۳۰٪ کاهش میدهند و این امر منجر به عرضه سریعتر نسخههای جدید محصولات در بازار نسبت به گذشته میشود. در مورد آنچه در آینده در پی دارد، علم مواد با ابداعاتی مانند کموتاتورهای تقویتشده با گرافن و پوششهای عایقی نانوکامپوزیتی ویژه، در حال ایجاد تحول است. این فناوریها تا سال ۲۰۲۷ ممکن است حتی در دماهای بسیار بالا نیز بازده را تا ۲۰٪ افزایش دهند، هرچند این افزایش بازده در عمل چه تأثیری بر عملکرد واقعی خواهد داشت، هنوز قابل ارزیابی نیست. به هر حال، به نظر میرسد موتورهای ۱۲ ولتی علیرغم تمام این پیشرفتها، برای مدت طولانیای همچنان جایگاهی در طراحی خودروها خواهند داشت.
2024 © شرکت موتور میکرو جیکسین شنتن - سیاست حفظ حریم خصوصی