Popyt Evs na silniki indukcyjne klatkowe

Wyobraź sobie niezwykle wydajne „serce” bijące cicho w pojeździe elektrycznym – takie, które zapewnia niezawodną moc bez skomplikowanych struktur szczotek. Jest to silnik indukcyjny klatkowy (SCIM), szeroko stosowany silnik prądu przemiennego zarówno w zastosowaniach przemysłowych, jak i pojazdach elektrycznych. Ale co czyni ten silnik wyjątkowym oraz jakie wyzwania i możliwości przed nim stoją?

Przegląd

Silnik indukcyjny klatkowy jest bezszczotkowym silnikiem prądu przemiennego zasilanym sinusoidalnym napięciem i prądem. Prosta konstrukcja, niski koszt, wysoka niezawodność, trwałość, minimalne tętnienie momentu obrotowego, niskie wymagania konserwacyjne i zdolność do pracy w trudnych warunkach sprawiają, że idealnie nadaje się do zastosowań przemysłowych i elektrycznych systemów napędowych.

Zastosowania w pojazdach elektrycznych

SCIM wdrożono w kilku dostępnych na rynku pojazdach elektrycznych z akumulatorem (BEV), w tym samochodach osobowych, autobusach i lekkich ciężarówkach. Godne uwagi przykłady obejmują Tesla S-2014, Tazzari Zero, Mercedes-Benz Klasy B Electric Drive, Mahindra e2o i Toyota RAV4 EV. Ponadto pierwsza wersja lekkiej elektrycznej ciężarówki Newton firmy Smith Electric Vehicles oraz akumulatorowo-elektryczny autobus Optare Solo EV również wykorzystują trójfazowe SCIM.

Zasada działania i cechy konstrukcyjne

Jako silnik asynchroniczny, SCIM działa z różnicą pomiędzy prędkością wirującego pola magnetycznego generowanego przez uzwojenia stojana a prędkością wirnika. Jego stosunkowo prosta konstrukcja upraszcza procesy projektowania i produkcji w porównaniu do innych typów silników. W przeciwieństwie do silników z magnesami trwałymi, SCIM wykorzystują tańsze materiały. Chociaż najpopularniejsze są trójfazowe SCIM, opracowywane są silniki o większej liczbie faz, aby poprawić gęstość mocy i zmniejszyć tętnienie momentu obrotowego oraz prąd fazowy.

Wirnik zawiera odlaną aluminiową klatkę wiewiórkową, w której prądy wirnika są indukowane przez wirujące pole magnetyczne stojana. Oddziaływanie tego pola z polem magnetycznym prądu wirnika generuje moment elektromagnetyczny. Wydajność można zwiększyć, stosując miedź zamiast aluminium w prętach wirnika i pierścieniach końcowych.

Ograniczenia wydajności i środki udoskonalające

SCIM mają nieodłączne wady, w tym trudne sterowanie przy niskiej prędkości, niski współczynnik mocy przy małych obciążeniach, wysoki prąd rozruchowy, stosunkowo niską wydajność i słabe wykorzystanie falownika. Nawet w warunkach bez obciążenia prąd magnesowania zwiększa straty miedzi i parametry przetwornika elektronicznego. Odpowiednie techniki sterowania pozwalają osiągnąć maksymalny moment rozruchowy przy zachowaniu niskiego prądu rozruchowego.

W zastosowaniach z silnikami piastowymi SCIM mogą wykorzystywać wirniki z klatką zewnętrzną w celu zwiększenia średnicy szczeliny powietrznej i wyjściowego momentu obrotowego. Warto zauważyć, że SCIM mają niższą gęstość momentu obrotowego i wydajność w porównaniu z innymi typami silników, co czyni je bardziej odpowiednimi dla pojazdów typu BEV niż pojazdy hybrydowe lub hybrydowe typu plug-in, w których istnieją ograniczenia przestrzenne. Maksymalna prędkość jest zwykle ograniczona do 10 000 obr./min, chociaż techniki osłabiania pola mogą rozszerzyć zakres stałej mocy do 4–5 razy większej od prędkości podstawowej – co jest kluczowym wymogiem w przypadku pojazdów elektrycznych.

Technologie sterowania

Obecnie stosuje się różne techniki sterowania prędkością i momentem obrotowym. Najprostszym jest sterowanie skalarne, które reguluje wielkość i częstotliwość napięcia, chociaż jego działanie w stanach przejściowych jest ograniczone. Aby poprawić reakcję na stany przejściowe, wdrażane jest sterowanie zorientowane na pole (FOC) i bezpośrednie sterowanie momentem obrotowym (DTC), natomiast coraz większą uwagę zyskują metody sterowania bezczujnikowego (eliminujące czujniki prędkości/położenia).

Silniki z magnesami trwałymi

Bezszczotkowe silniki z magnesami trwałymi dzielą się na dwie kategorie: bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) i bezszczotkowe silniki prądu przemiennego (silniki synchroniczne z magnesami trwałymi lub PMSM). Chociaż oba są wyposażone w wirniki z magnesami trwałymi, ich układ uzwojeń stojana jest inny. Silniki BLDC wykorzystują uzwojenia trapezowe z trapezowym tylnym polem elektromagnetycznym, zwykle zasilane prostokątnymi prądami fazowymi. Umożliwia to proste metody sterowania przy użyciu sprzężenia zwrotnego położenia wykrywanego sześć razy na obrót.

PMSM wyewoluowały z silników synchronicznych z uzwojonym wirnikiem, zastępując uzwojenia wzbudzenia szczotek/pierścieni ślizgowych magnesami trwałymi. Ich stojany przypominają silniki indukcyjne, z sinusoidalnymi uzwojeniami wytwarzającymi sinusoidalne tylne pole elektromagnetyczne zasilane prądami sinusoidalnymi. Różnice te znacząco wpływają na zachowanie silnika i algorytmy sterowania, dzięki czemu PMSM są lepiej dostosowane do systemów trakcji pojazdów elektrycznych.

Projekt silnika z magnesami trwałymi

Podczas gdy większość PMSM wykorzystuje konstrukcje ze strumieniem promieniowym, konfiguracje ze strumieniem osiowym oferują korzyści w zakresie stosunku momentu obrotowego do bezwładności i gęstości mocy w pewnych zakresach mocy, szczególnie w zastosowaniach z silnikami piastowymi. W układach napędowych pojazdów elektrycznych dominują magnesy ziem rzadkich ze względu na doskonałe właściwości magnetyczne, chociaż wysokowydajne PMSM można zaprojektować z magnesami o niższej klasie.

PMSM z metali ziem rzadkich oferują atrakcyjne właściwości, w tym wysoką gęstość mocy/momentu obrotowego, pracę z prędkością synchroniczną, wysoką wydajność, precyzyjną kontrolę momentu obrotowego i bezobsługową pracę. Jednakże ograniczenia obejmują ograniczoną zdolność do osłabiania pola (szczególnie w przypadku PMSM montowanych powierzchniowo), ryzyko rozmagnesowania na skutek wstrząsu mechanicznego, wysokich temperatur lub skutków zwarć – co sprawia, że ​​bezpieczeństwo i odporność na uszkodzenia mają krytyczne znaczenie.

Przełączane silniki reluktancyjne

Silniki z przełączaną reluktancją (SRM) to maszyny bezszczotkowe o podwójnie wystających konstrukcjach — zarówno wirnik, jak i stojan mają wystające bieguny. Stojan zawiera skoncentrowane uzwojenia podobne do silników prądu stałego, podczas gdy wirnik nie ma ani uzwojeń, ani magnesów. Ruch wirnika jest utrzymywany poprzez sekwencyjne zasilanie biegunów stojana za pomocą sterowania elektronicznego.

SRM oferują prostotę, niski koszt i łatwość produkcji ze względu na nieskomplikowaną konstrukcję wirnika. Zapewniają rozszerzony zakres prędkości przy stałej mocy (do 7:1) – idealny do bezprzekładniowych napędów EV – wraz z możliwością pracy w wysokich temperaturach, niską bezwładnością wirnika, wysokim momentem rozruchowym i szybkim przyspieszeniem. Jednakże nieodłączne ograniczenia obejmują znaczne tętnienie momentu obrotowego, wibracje, hałas akustyczny, złożone sterowanie ze względu na wysoką nieliniowość i niższą wydajność z powodu wyższych strat żelaza.

Silniki z przełączaniem strumienia

Silniki z przełączaniem strumienia (FSM) to podwójnie wyróżniające się maszyny bezszczotkowe, będące przedmiotem badań pod kątem zastosowań trakcyjnych. Ich stojany zawierają zarówno uzwojenia wzbudzenia prądu stałego, jak i uzwojenia twornika prądu przemiennego (zwykle trójfazowe), co zmniejsza wibracje/hałas w porównaniu do SRM. Prostota wirnika sprawia, że ​​FSM są wytrzymałe do pracy z dużymi prędkościami.

Warianty FSM obejmują typy wzbudzane uzwojeniem (WFFSM), magnesami trwałymi (PMFSM) i wzbudzane hybrydowo (HEFSM). Podczas gdy PMFSM wykazują ograniczony zakres prędkości przy stałej mocy, WFFSM wyróżniają się pod tym względem poprzez sterowanie uzwojeniem DC. Atrakcyjne cechy FSM obejmują prostotę konstrukcji, wysoką gęstość strumienia w szczelinie powietrznej (co daje wysoką gęstość mocy/momentu obrotowego) i wytrzymałość w trudnych warunkach. Wady obejmują wyższe straty miedzi i nieodłączne tętnienie momentu obrotowego.

Synchroniczne silniki reluktancyjne

Synchroniczne silniki reluktancyjne (SynRM) działają synchronicznie przy zasilaniu trójfazowym prądem przemiennym. Ich laminowane wirniki — niezawierające przewodników ani magnesów — minimalizują straty wirnika. Moment obrotowy wynika wyłącznie z niechęci magnetycznej, co wymaga wysokich współczynników zasolenia (Ld/Lq) w celu uzyskania optymalnej wydajności. Konstrukcje wirników z barierą wielostrumieniową kierują strumieniem magnetycznym, blokując jednocześnie strumień osi kwadraturowej.

SynRM oferują prostotę produkcji i konkurencyjne wymagania dotyczące współczynnika mocy/inwertera w porównaniu z silnikami indukcyjnymi, chociaż dorównują PMSM pod względem wydajności i gęstości momentu obrotowego. Staranna konstrukcja bariery strumienia może złagodzić problemy z tętnieniami momentu obrotowego. Kilku producentów oferuje obecnie SynRM klasy przemysłowej, a najnowsze prototypy opracowano do zastosowań w pojazdach elektrycznych.

Synchroniczne silniki reluktancyjne wspomagane magnesami trwałymi

Wkładanie magnesów do wirników SynRM tworzy PMa-SynRM – obiecujących kandydatów na napędy EV. Podobnie jak wewnętrzne PMSM, maszyny te osadzają magnesy ferrytowe w barierach strumienia wirnika, aby zwiększyć współczynnik zasolenia. Polaryzacja magnesów przeciwdziała strumieniowi osi kwadraturowej, minimalizując Lq i maksymalizując stosunek Ld/Lq w celu zwiększenia momentu reluktancyjnego (który dominuje nad momentem wyrównania).

PMa-SynRM łączą w sobie zalety silników PM i silników reluktancyjnych: wysoką wydajność, gęstość, współczynnik mocy i zakres prędkości. Stosowanie tanich ferrytów zamiast magnesów ziem rzadkich rozwiązuje problemy związane z kosztami i dostawami, jednocześnie zmniejszając ryzyko rozmagnesowania i wstecznego pola elektromagnetycznego. W konstrukcjach wirników zastosowano wielowarstwowe wnęki na osadzone ferryty, optymalizując w ten sposób zasolenie magnetyczne. Choć nie został on jeszcze wprowadzony na rynek w pojazdach elektrycznych, trwają prace rozwojowe nad prototypami PMa-SynRM na bazie ferrytu.

Porównanie wydajności silnika

Oceniając typy motoryczne (SRM, WFFSM, PMFSM, PMa-SynRM, PMSM i SCIM), żaden z kandydatów nie przewyższa innych we wszystkich wskaźnikach. Kluczowe kwestie obejmują tętnienie momentu obrotowego, hałas/wibracje, możliwości produkcyjne, wytrzymałość, odporność na uszkodzenia, zakres stałej mocy i złożoność sterowania. Aby dopasować wymagania konkretnego zastosowania do optymalnych właściwości silnika, wymagana jest wszechstronna analiza.