ЭВС увеличивает спрос на индукционные моторы для эвериных клеток

Представьте себе высокоэффективное «сердце», бесшумно бьющееся внутри электромобиля, которое обеспечивает надежную мощность без сложных конструкций щеток. Это асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (SCIM), широко используемый двигатель переменного тока как в промышленности, так и в электромобилях. Но что делает этот двигатель уникальным и с какими проблемами и возможностями он сталкивается?

Обзор

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором представляет собой бесщеточный двигатель переменного тока, питаемый синусоидальным напряжением и током. Его простая конструкция, низкая стоимость, высокая надежность, долговечность, минимальные пульсации крутящего момента, низкие требования к техническому обслуживанию и способность работать в суровых условиях делают его идеальным для промышленного применения и электрических силовых установок.

Применение электромобилей

SCIM были реализованы в нескольких коммерчески доступных электромобилях с аккумуляторной батареей (BEV), включая легковые автомобили, автобусы и легкие грузовики. Яркие примеры включают Tesla S-2014, Tazzari Zero, Mercedes-Benz B-Class Electric Drive, Mahindra e2o и Toyota RAV4 EV. Кроме того, первая версия легкого электрического грузовика Newton компании Smith Electric Vehicles и аккумуляторно-электрический автобус Optare Solo EV также используют трехфазные SCIM.

Принцип работы и конструктивные особенности

Как асинхронный двигатель, SCIM работает с разницей между скоростью вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, и скоростью ротора. Его относительно простая конструкция упрощает процессы проектирования и производства по сравнению с другими типами двигателей. В отличие от двигателей с постоянными магнитами, в SCIM используются более доступные материалы. Хотя трехфазные SCIM являются наиболее распространенными, двигатели с большим числом фаз находятся в стадии разработки для повышения удельной мощности и уменьшения пульсаций крутящего момента и тока каждой фазы.

Ротор содержит литой алюминиевый короткозамкнутый ротор, в котором токи ротора индуцируются вращающимся магнитным полем статора. Взаимодействие между этим полем и магнитным полем тока ротора создает электромагнитный крутящий момент. Эффективность можно повысить, если использовать медь вместо алюминия для стержней и концевых колец ротора.

Ограничения производительности и меры по улучшению

SCIM имеют присущие недостатки, включая сложное управление на низкой скорости, низкий коэффициент мощности при небольших нагрузках, высокий пусковой ток, относительно низкий КПД и плохое использование инвертора. Даже в условиях холостого хода ток намагничивания увеличивает потери в меди и номинальные характеристики электронного преобразователя. Соответствующие методы управления позволяют добиться максимального пускового момента при сохранении низкого пускового тока.

В двигателях-концентраторах SCIM могут использовать роторы с внешней обоймой для увеличения диаметра воздушного зазора и выходного крутящего момента. Примечательно, что SCIM имеют меньшую плотность крутящего момента и эффективность по сравнению с другими типами двигателей, что делает их более подходящими для BEV, чем для гибридных или подключаемых гибридных автомобилей, где существуют ограничения по пространству. Максимальная скорость обычно ограничивается 10 000 об/мин, хотя методы ослабления поля могут расширить диапазон постоянной мощности до 4-5 раз базовой скорости, что является важнейшим требованием для электромобилей.

Технологии управления

В настоящее время используются различные методы управления скоростью и крутящим моментом. Самым простым является скалярное управление, которое регулирует величину и частоту напряжения, хотя его переходные характеристики ограничены. Для улучшения переходных характеристик реализуются управление по полю (FOC) и прямое управление крутящим моментом (DTC), в то время как методы бездатчикового управления (отказ от датчиков скорости/положения) привлекают все больше внимания.

Двигатели с постоянными магнитами

Бесщеточные двигатели с постоянными магнитами делятся на две категории: бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) и бесщеточные двигатели переменного тока (синхронные двигатели с постоянными магнитами или PMSM). Хотя оба имеют роторы с постоянными магнитами, их расположение статорных обмоток различается. В двигателях BLDC используются трапециевидные обмотки с трапециевидной обратной ЭДС, обычно питаемые прямоугольными фазными токами. Это позволяет использовать простые методы управления с использованием обратной связи по положению, измеряемой шесть раз за оборот.

СДСМ произошли от синхронных двигателей с фазным ротором, заменив щеточные/кольцевые обмотки возбуждения постоянными магнитами. Их статоры напоминают асинхронные двигатели с синусоидальными обмотками, создающими синусоидальную обратную ЭДС, питаемую синусоидальными токами. Эти различия существенно влияют на поведение двигателя и алгоритмы управления, что делает PMSM более подходящими для тяговых систем электромобилей.

Конструкция двигателя с постоянными магнитами

В то время как в большинстве СДПМ используются конструкции с радиальным потоком, конфигурации с осевым потоком обеспечивают преимущества в соотношении крутящего момента к инерции и плотности мощности для определенных диапазонов мощностей, особенно в двигателях-концентраторах. Редкоземельные магниты доминируют в двигательных системах электромобилей из-за превосходных магнитных свойств, хотя высокоэффективные PMSM могут быть разработаны с магнитами более низкого качества.

Редкоземельные PMSM обладают привлекательными характеристиками, включая высокую плотность мощности/крутящего момента, работу с синхронной скоростью, высокую эффективность, точное управление крутящим моментом и работу, не требующую обслуживания. Однако ограничения включают ограниченную способность к ослаблению поля (особенно в модулях PMSM поверхностного монтажа), риски размагничивания от механического удара, высоких температур или эффектов короткого замыкания, что делает критически важными проблемы безопасности и отказоустойчивости.

Реактивные двигатели с переключателем

Реактивные двигатели с переключателем (SRM) представляют собой бесщеточные машины с двойной выступающей структурой: как ротор, так и статор имеют выступающие полюса. Статор содержит сосредоточенные обмотки, аналогичные двигателям постоянного тока, а ротор не имеет ни обмоток, ни магнитов. Движение ротора поддерживается путем последовательной подачи питания на полюса статора посредством электронного управления.

SRM предлагают простоту, низкую стоимость и простоту изготовления благодаря несложной конструкции ротора. Они обеспечивают расширенный диапазон скоростей при постоянной мощности (до 7:1) — идеальное решение для безредукторных приводов электромобилей — а также устойчивость к высоким температурам, низкую инерцию ротора, высокий пусковой момент и быстрое ускорение. Однако присущие ограничения включают значительную пульсацию крутящего момента, вибрацию, акустический шум, сложное управление из-за высокой нелинейности и более низкий КПД из-за более высоких потерь в железе.

Двигатели с переключателем потока

Двигатели с переключателем потока (FSM) представляют собой бесщеточные машины с двойной выраженностью, которые исследуются для тягового применения. Их статоры содержат как обмотки возбуждения постоянного тока, так и обмотки якоря переменного тока (обычно трехфазные), что снижает вибрацию/шум по сравнению с SRM. Простота ротора делает FSM надежными для работы на высоких скоростях.

Варианты FSM включают типы с возбуждением от обмотки (WFFSM), с постоянным магнитом (PMFSM) и с гибридным возбуждением (HEFSM). В то время как PMFSM демонстрируют ограниченный диапазон скоростей при постоянной мощности, WFFSM превосходны в этом отношении благодаря управлению обмоткой постоянного тока. Привлекательными особенностями FSM являются простота конструкции, высокая плотность потока в воздушном зазоре (обеспечивающая высокую плотность мощности/крутящего момента) и надежность для работы в суровых условиях. К недостаткам относятся более высокие потери в меди и присущие им пульсации крутящего момента.

Синхронные реактивные двигатели

Синхронные реактивные двигатели (SynRM) работают синхронно от трехфазного переменного тока. Их ламинированные роторы, не содержащие ни проводников, ни магнитов, минимизируют потери ротора. Крутящий момент возникает исключительно за счет магнитного сопротивления, что требует высоких коэффициентов заметности (Ld/Lq) для оптимальной производительности. Роторы с многопоточным барьером направляют магнитный поток, блокируя поток по квадратурной оси.

SynRM предлагают простоту изготовления и конкурентоспособные требования к коэффициенту мощности/инвертору по сравнению с асинхронными двигателями, хотя они уступают PMSM по эффективности и плотности крутящего момента. Тщательная конструкция барьера магнитного потока может смягчить проблемы пульсаций крутящего момента. Некоторые производители теперь предлагают SynRM промышленного уровня, а последние прототипы разработаны для применения в электромобилях.

Синхронные реактивные двигатели с постоянными магнитами

Вставка магнитов в роторы SynRM создает PMa-SynRM — многообещающие кандидаты для приводов электромобилей. Подобно внутренним модулям PMSM, эти машины встраивают ферритовые магниты в барьеры магнитного потока ротора для повышения коэффициента заметности. Полярность магнитов противодействует потоку по квадратурной оси, минимизируя Lq и максимизируя соотношение Ld/Lq для увеличения реактивного момента (который доминирует над моментом выравнивания).

PMa-SynRM сочетают в себе преимущества двигателей с постоянными магнитами и реактивного двигателя: высокую эффективность, плотность, коэффициент мощности и диапазон скоростей. Использование недорогих ферритов вместо редкоземельных магнитов решает проблемы стоимости/поставок, одновременно снижая риски размагничивания и противо-ЭДС. В конструкциях роторов используются многослойные полости для встроенных ферритов, что оптимизирует заметность магнитного поля. Несмотря на то, что они еще не коммерциализированы для электромобилей, продолжаются разработки прототипов PMa-SynRM на основе феррита.

Сравнение производительности двигателей

При оценке типов моторов (SRM, WFFSM, PMFSM, PMa-SynRM, PMSM и SCIM) ни один кандидат не превосходит других явно по всем показателям. Ключевые факторы включают пульсации крутящего момента, шум/вибрацию, технологичность, надежность, отказоустойчивость, диапазон постоянной мощности и сложность управления. Требуется комплексный анализ для соответствия конкретным требованиям применения и оптимальным характеристикам двигателя.