Probni sinhroni motor: šta to znači?

Električni automobili su i dalje zasjenjeni razvojem baterija

Brzi razvoj hibridnih pogonskih sklopova i neviđeni napredak posljednjih godina na polju električnih vozila glavni su fokus razvoja tehnologije baterija. Oni traže maksimalne resurse od programera i najveći su izazov za dizajnere. Međutim, ne treba potcijeniti činjenicu da napredak u razvoju naprednih litijum-jonskih tehnologija prati značajan napredak na polju regulacije snage električnih struja i elektromotora. Ispostavilo se da, iako električni motori imaju visoku efikasnost, oni imaju ozbiljno polje za razvoj.

Dizajneri očekuju da će ova industrija rasti izuzetno visokom brzinom, ne samo zato što su električna vozila sve češća, već i zato što je elektrifikacija vozila s pogonom na izgaranje važan element nivoa emisija utvrđenih u Europskoj uniji.

Iako električni motor ima dugu istoriju, dizajneri se danas suočavaju s novim izazovima. Elektromotori, ovisno o namjeni, mogu imati uski dizajn i veliki promjer ili mali promjer i dugo tijelo. Njihovo ponašanje u čisto električnim vozilima razlikuje se od hibrida, pri čemu se mora uzeti u obzir toplota koju stvara motor sa unutrašnjim izgaranjem. Za električna vozila, raspon brzine je širi, a ona ugrađena u paralelni hibridni sistem u mjenjaču moraju biti optimizirana da rade unutar raspona brzina motora sa unutrašnjim sagorijevanjem. Većina mašina radi na visokom naponu, ali 48-voltni električni strojevi postat će sve popularniji.

Zašto AC motori

Uprkos činjenici da je izvor električne energije u osobi baterije jednosmjerna struja, dizajneri električnih sistema trenutno ne razmišljaju o upotrebi istosmjernih motora. Čak i uzimajući u obzir pretvorbene gubitke, jedinice izmjenične struje, posebno sinkrone, nadmašuju jednosmjerne jedinice. Ali šta zapravo znači sinhroni ili asinhroni motor? Upoznat ćemo vas s ovim dijelom automobilskog svijeta jer dok električni automobili već dugo postoje u automobilima u obliku pokretača i alternatora, u ovo su područje nedavno uvedene potpuno nove tehnologije.

Toyota, GM i BMW sada su neki od rijetkih proizvođača koji su sami preuzeli razvoj i proizvodnju elektromotora. Čak i Toyotina podružnica Lexus isporučuje ove uređaje drugoj kompaniji, japanskoj Aisin. Većina kompanija oslanja se na dobavljače kao što su ZF Sachs, Siemens, Bosch, Zytec ili kineske kompanije. Očigledno, brzi razvoj ovog posla omogućava takvim kompanijama da imaju koristi od partnerstva sa proizvođačima automobila. Što se tiče tehnološke strane stvari, danas se za potrebe električnih vozila i hibrida uglavnom koriste sinkroni motori naizmjenične struje s vanjskim ili unutarnjim rotorom.

Sposobnost efikasnog pretvaranja jednosmernih baterija u trofazne naizmenične i obrnuto uglavnom je rezultat napretka u tehnologiji upravljanja. Međutim, trenutni nivoi u energetskoj elektronici dostižu nivoe višestruko više od onih koji se nalaze u kućnoj električnoj mreži i često prelaze 150 ampera. Ovo generira puno topline s kojom se energetska elektronika mora nositi. Trenutno je zapremina elektroničkih upravljačkih uređaja još uvijek velika jer se elektronički poluvodički upravljački uređaji ne mogu smanjiti čarobnim štapićem.

I sinhroni i asinhroni motori su vrsta električnih strojeva s rotirajućim magnetskim poljem koji imaju veću gustoću snage. Općenito, rotor indukcijskog motora sastoji se od jednostavnog paketa čvrstih listova s kratko spojenim namotajima. Struja teče u namotajima statora u suprotnim parovima, pri čemu struja iz jedne od tri faze teče u svakom paru. Budući da je u svakom od njih fazno pomaknut za 120 stepeni u odnosu na drugi, dobija se takozvano rotaciono magnetno polje. Ovo, zauzvrat, inducira magnetsko polje u rotoru, a interakcija između dva magnetna polja - rotirajućih u statoru i magnetnog polja rotora, dovodi do uvlačenja potonjeg i naknadne rotacije. Međutim, kod ovog tipa elektromotora rotor uvijek zaostaje za poljem jer ako nema relativnog kretanja između polja i rotora, on neće inducirati magnetsko polje u rotoru. Dakle, nivo maksimalne brzine je određen frekvencijom struje napajanja i opterećenja. Međutim, zbog veće efikasnosti sinhronih motora, većina proizvođača ih se drži.

Sinhroni motori

Ovi uređaji imaju značajno veću efikasnost i gustinu snage. Značajna razlika od asinhronog motora je u tome što magnetsko polje u rotoru ne nastaje interakcijom sa statorom, već je rezultat ili struje koja teče kroz dodatne namote u njemu ugrađene, ili trajnih magneta. Dakle, polje u rotoru i polje u statoru su sinhroni, a maksimalna brzina motora također ovisi o rotaciji polja, odnosno o frekvenciji struje i opterećenja. Kako bi se izbjegla potreba za dodatnim napajanjem namotaja, što povećava potrošnju energije i zakomplicira trenutnu regulaciju u modernim električnim vozilima i hibridnim modelima, koriste se elektromotori s takozvanim stalnim uzbuđivanjem, tj. sa trajnim magnetima. Kao što je već spomenuto, gotovo svi proizvođači takvih automobila trenutno koriste jedinice ovog tipa, stoga će, prema mnogim stručnjacima, i dalje biti problem s nedostatkom skupih rijetkih zemljanih elemenata neodimijuma i disprozijumu. Sinhroni motori dolaze u različitim varijantama i kombiniranim tehnološkim rješenjima poput BMW-a ili GM-a, ali reći ćemo vam više o njima.

Izgradnja

Motori čisto električnih vozila obično su spojeni direktno na diferencijal pogonske osovine i snaga se prenosi na točkove preko osovinskih osovina, smanjujući gubitke mehaničkog prenosa. Sa ovim rasporedom ispod poda, težište je smanjeno i cjelokupni dizajn bloka postaje kompaktniji. Sasvim je drugačija situacija sa rasporedom hibridnih modela. Za potpune hibride kao što su single mode (Toyota i Lexus) i dual mode (Chevrolet Tahoe), električni motori su na neki način povezani sa planetarnim zupčanicima u hibridnom pogonu, u kom slučaju kompaktnost zahtijeva da njihov dizajn bude duži i manji u prečnika. Kod klasičnih paralelnih hibrida, zahtjevi za kompaktnošću znače da sklop koji stane između zamašnjaka i mjenjača ima veći prečnik i prilično ravan, a proizvođači kao što su Bosch i ZF Sachs se čak oslanjaju na dizajn rotora u obliku diska. Postoje i varijacije rotora – dok se kod Lexusa LS 600h rotirajući element nalazi unutra, kod nekih Mercedesovih modela rotirajući rotor je spolja. Potonji dizajn je također izuzetno zgodan u slučajevima kada su elektromotori ugrađeni u glavčine kotača.

Tekst: Georgy Kolev