Η ζήτηση για κινητήρες επαγωγής σκιουροκυψελών αυξάνεται

Φανταστείτε μια «καρδιά» υψηλής απόδοσης να χτυπά σιωπηλά μέσα σε ένα ηλεκτρικό όχημα—που προσφέρει αξιόπιστη ισχύ χωρίς περίπλοκες δομές βούρτσας. Αυτός είναι ο κινητήρας επαγωγής squirrel cage (SCIM), ένας ευρέως χρησιμοποιούμενος κινητήρας AC τόσο σε βιομηχανικές εφαρμογές όσο και σε ηλεκτρικά οχήματα. Τι κάνει όμως αυτόν τον κινητήρα μοναδικό και ποιες προκλήσεις και ευκαιρίες αντιμετωπίζει;

Επισκόπηση

Ο επαγωγικός κινητήρας squirrel cage είναι ένας κινητήρας AC χωρίς ψήκτρες που τροφοδοτείται από ημιτονοειδή τάση και ρεύμα. Η απλή κατασκευή, το χαμηλό κόστος, η υψηλή αξιοπιστία, η ανθεκτικότητα, η ελάχιστη ροπή ροπής, οι χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης και η ικανότητά του να λειτουργεί σε σκληρά περιβάλλοντα το καθιστούν ιδανικό για βιομηχανικές εφαρμογές και συστήματα ηλεκτρικής πρόωσης.

Εφαρμογές Ηλεκτρικών Οχημάτων

Τα SCIM έχουν εφαρμοστεί σε πολλά εμπορικά διαθέσιμα ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία (BEV), συμπεριλαμβανομένων επιβατικών αυτοκινήτων, λεωφορείων και ελαφρών φορτηγών. Αξιοσημείωτα παραδείγματα περιλαμβάνουν τα Tesla S-2014, Tazzari Zero, Mercedes-Benz B-Class Electric Drive, Mahindra e2o και Toyota RAV4 EV. Επιπλέον, η πρώτη έκδοση του ελαφρού ηλεκτρικού φορτηγού Newton της Smith Electric Vehicles και του ηλεκτρικού λεωφορείου με μπαταρία Optare Solo EV χρησιμοποιούν επίσης τριφασικά SCIM.

Αρχή εργασίας και δομικά χαρακτηριστικά

Ως ασύγχρονος κινητήρας, το SCIM λειτουργεί με διαφορά μεταξύ της ταχύτητας περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από τις περιελίξεις του στάτη και της ταχύτητας του ρότορα. Η σχετικά απλή δομή του απλοποιεί τις διαδικασίες σχεδιασμού και κατασκευής σε σύγκριση με άλλους τύπους κινητήρων. Σε αντίθεση με τους κινητήρες μόνιμου μαγνήτη, οι SCIM χρησιμοποιούν πιο προσιτά υλικά. Ενώ τα τριφασικά SCIM είναι πιο συνηθισμένα, κινητήρες με υψηλότερους αριθμούς φάσης βρίσκονται υπό ανάπτυξη για τη βελτίωση της πυκνότητας ισχύος και τη μείωση της κυματισμού ροπής και του ρεύματος ανά φάση.

Ο ρότορας περιέχει ένα κλουβί σκίουρου από χυτό αλουμίνιο, με ρεύματα ρότορα που προκαλούνται από το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτορα. Η αλληλεπίδραση μεταξύ αυτού του πεδίου και του μαγνητικού πεδίου του ρεύματος του δρομέα δημιουργεί ηλεκτρομαγνητική ροπή. Η απόδοση μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας χαλκό αντί για αλουμίνιο για ράβδους ρότορα και ακραίους δακτυλίους.

Περιορισμοί Απόδοσης και Μέτρα Βελτίωσης

Τα SCIM έχουν εγγενή μειονεκτήματα όπως ο δύσκολος έλεγχος χαμηλής ταχύτητας, ο χαμηλός συντελεστής ισχύος υπό ελαφρά φορτία, το υψηλό ρεύμα εκκίνησης, η σχετικά χαμηλή απόδοση και η κακή χρήση του μετατροπέα. Ακόμη και υπό συνθήκες χωρίς φορτίο, το ρεύμα μαγνήτισης αυξάνει τις απώλειες χαλκού και τις ονομασίες ηλεκτρονικών μετατροπέων. Οι κατάλληλες τεχνικές ελέγχου μπορούν να επιτύχουν τη μέγιστη ροπή εκκίνησης διατηρώντας παράλληλα χαμηλό ρεύμα εκκίνησης.

Για εφαρμογές κινητήρα πλήμνης, τα SCIM μπορούν να χρησιμοποιήσουν ρότορες εξωτερικού κλωβού για να αυξήσουν τη διάμετρο του διακένου αέρα και τη ροπή εξόδου. Συγκεκριμένα, τα SCIM έχουν χαμηλότερη πυκνότητα ροπής και απόδοση σε σύγκριση με άλλους τύπους κινητήρων, καθιστώντας τα πιο κατάλληλα για BEV από τα υβριδικά ή τα plug-in υβριδικά οχήματα όπου υπάρχουν περιορισμοί χώρου. Η μέγιστη ταχύτητα περιορίζεται συνήθως στις 10.000 σ.α.λ., αν και οι τεχνικές αποδυνάμωσης πεδίου μπορούν να επεκτείνουν το εύρος σταθερής ισχύος σε 4-5 φορές την ταχύτητα βάσης - μια κρίσιμη απαίτηση για τα ηλεκτρικά οχήματα.

Τεχνολογίες Ελέγχου

Επί του παρόντος χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές ελέγχου ταχύτητας και ροπής. Ο απλούστερος είναι ο βαθμωτός έλεγχος, ο οποίος προσαρμόζει το μέγεθος και τη συχνότητα της τάσης, αν και η μεταβατική απόδοσή του είναι περιορισμένη. Για βελτιωμένη μεταβατική απόκριση, εφαρμόζεται έλεγχος πεδίου (FOC) και άμεσος έλεγχος ροπής (DTC), ενώ οι μέθοδοι ελέγχου χωρίς αισθητήρες (εξάλειψη αισθητήρων ταχύτητας/θέσης) κερδίζουν την προσοχή.

Κινητήρες μόνιμου μαγνήτη

Οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες μόνιμου μαγνήτη χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: DC χωρίς ψήκτρες (BLDC) και AC χωρίς ψήκτρες (σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη ή PMSM). Ενώ και οι δύο διαθέτουν ρότορες μόνιμου μαγνήτη, οι διατάξεις περιελίξεως του στάτη διαφέρουν. Οι κινητήρες BLDC χρησιμοποιούν τραπεζοειδείς περιελίξεις με τραπεζοειδές οπίσθιο EMF, που συνήθως τροφοδοτούνται από ρεύματα ορθογώνιας φάσης. Αυτό επιτρέπει απλές μεθόδους ελέγχου χρησιμοποιώντας ανάδραση θέσης που ανιχνεύεται έξι φορές ανά περιστροφή.

Τα PMSM εξελίχθηκαν από σύγχρονους κινητήρες περιέλιξης-ρότορα, αντικαθιστώντας τις περιελίξεις διέγερσης βούρτσας/δακτυλίου ολίσθησης με μόνιμους μαγνήτες. Οι στάτορες τους μοιάζουν με επαγωγικούς κινητήρες, με ημιτονοειδείς περιελίξεις που παράγουν ημιτονοειδές οπίσθιο EMF που τροφοδοτείται από ημιτονοειδή ρεύματα. Αυτές οι διαφορές επηρεάζουν σημαντικά τη συμπεριφορά του κινητήρα και τους αλγόριθμους ελέγχου, καθιστώντας τα PMSM καλύτερα κατάλληλα για συστήματα έλξης EV.

Σχεδιασμός κινητήρα μόνιμου μαγνήτη

Ενώ τα περισσότερα PMSM χρησιμοποιούν σχέδια ακτινικής ροής, οι διαμορφώσεις αξονικής ροής προσφέρουν πλεονεκτήματα στον λόγο ροπής προς αδράνεια και στην πυκνότητα ισχύος για ορισμένα εύρη ισχύος, ιδιαίτερα σε εφαρμογές κινητήρων πλήμνης. Οι μαγνήτες σπάνιων γαιών κυριαρχούν στα συστήματα πρόωσης EV λόγω των ανώτερων μαγνητικών ιδιοτήτων, αν και οι υψηλής απόδοσης PMSM μπορούν να σχεδιαστούν με χαμηλότερες ποιότητες μαγνητών.

Τα PMSM σπάνιων γαιών προσφέρουν ελκυστικά χαρακτηριστικά, όπως υψηλή πυκνότητα ισχύος/ροπής, σύγχρονη λειτουργία ταχύτητας, υψηλή απόδοση, ακριβή έλεγχο ροπής και λειτουργία χωρίς συντήρηση. Ωστόσο, οι περιορισμοί περιλαμβάνουν περιορισμένη ικανότητα αποδυνάμωσης πεδίου (ειδικά σε επιφανειακά τοποθετημένα PMSM), κινδύνους απομαγνήτισης από μηχανικό σοκ, υψηλές θερμοκρασίες ή φαινόμενα βραχυκυκλώματος—καθιστώντας την ασφάλεια και την ανοχή σε σφάλματα κρίσιμες ανησυχίες.

Κινητήρες απροθυμίας μεταγωγής

Οι κινητήρες με απροθυμία μεταγωγής (SRMs) είναι μηχανές χωρίς ψήκτρες με διπλά εμφανείς δομές — τόσο ο ρότορας όσο και ο στάτορας έχουν προεξέχοντες πόλους. Ο στάτορας περιέχει συγκεντρωμένες περιελίξεις παρόμοια με τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος, ενώ ο ρότορας δεν έχει ούτε περιελίξεις ούτε μαγνήτες. Η κίνηση του ρότορα διατηρείται με τη διαδοχική ενεργοποίηση των πόλων του στάτορα μέσω ηλεκτρονικού ελέγχου.

Τα SRM προσφέρουν απλότητα, χαμηλό κόστος και ευκολία κατασκευής λόγω της απλής δομής του δρομέα τους. Παρέχουν εκτεταμένα εύρη στροφών σταθερής ισχύος (έως 7:1)—ιδανικά για ηλεκτροκινητήρες χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων—μαζί με ικανότητα υψηλής θερμοκρασίας, χαμηλή αδράνεια ρότορα, υψηλή ροπή εκκίνησης και γρήγορη επιτάχυνση. Ωστόσο, οι εγγενείς περιορισμοί περιλαμβάνουν σημαντικό κυματισμό ροπής, δόνηση, ακουστικό θόρυβο, πολύπλοκο έλεγχο λόγω υψηλής μη γραμμικότητας και χαμηλότερη απόδοση από υψηλότερες απώλειες σιδήρου.

Μοτέρ μεταγωγής ροής

Οι κινητήρες μεταγωγής ροής (FSM) είναι διπλά σημαντικές μηχανές χωρίς ψήκτρες υπό διερεύνηση για εφαρμογές έλξης. Οι στάτορες τους περιέχουν τόσο περιελίξεις διέγερσης συνεχούς ρεύματος όσο και περιελίξεις οπλισμού εναλλασσόμενου ρεύματος (συνήθως τριφασικές), μειώνοντας τους κραδασμούς/θόρυβο σε σύγκριση με τα SRM. Η απλότητα του ρότορα καθιστά τα FSM ανθεκτικά για λειτουργία υψηλής ταχύτητας.

Οι παραλλαγές FSM περιλαμβάνουν τύπους διέγερσης με περιέλιξη (WFFSM), μόνιμου μαγνήτη (PMFSM) και διεγερμένου υβριδικού (HEFSM). Ενώ τα PMFSM εμφανίζουν περιορισμένο εύρος στροφών σταθερής ισχύος, τα WFFSM υπερέχουν από αυτή την άποψη μέσω του ελέγχου περιέλιξης DC. Τα ελκυστικά χαρακτηριστικά FSM περιλαμβάνουν τη δομική απλότητα, την υψηλή πυκνότητα ροής διάκενου αέρα (που αποδίδει υψηλή πυκνότητα ισχύος/ροπής) και ανθεκτικότητα για σκληρά περιβάλλοντα. Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν υψηλότερες απώλειες χαλκού και εγγενή κυματισμό ροπής.

Σύγχρονοι κινητήρες απροθυμίας

Οι σύγχρονοι κινητήρες απροθυμίας (SynRMs) λειτουργούν συγχρονισμένα μέσω τριφασικής ισχύος AC. Οι ελασματοποιημένοι ρότορες τους - που δεν περιέχουν ούτε αγωγούς ούτε μαγνήτες - ελαχιστοποιούν τις απώλειες του ρότορα. Η ροπή προέρχεται αποκλειστικά από τη μαγνητική απροθυμία, που απαιτεί υψηλούς λόγους προεξοχής (Ld/Lq) για βέλτιστη απόδοση. Σχέδια ρότορα φραγμού πολλαπλών ροών καθοδηγούν τη μαγνητική ροή ενώ εμποδίζουν τη ροή τετραγωνικού άξονα.

Τα SynRM προσφέρουν απλότητα κατασκευής και ανταγωνιστικές απαιτήσεις συντελεστή ισχύος/μετατροπέα σε σχέση με τους επαγωγικούς κινητήρες, αν και ακολουθούν τα PMSM σε απόδοση και πυκνότητα ροπής. Ο προσεκτικός σχεδιασμός φραγμού ροής μπορεί να μετριάσει τα προβλήματα κυματισμού ροπής. Αρκετοί κατασκευαστές προσφέρουν τώρα SynRM βιομηχανικής ποιότητας, με πρόσφατα πρωτότυπα που έχουν αναπτυχθεί για εφαρμογές EV.

Κινητήρες σύγχρονης απροθυμίας με μόνιμο μαγνήτη

Η εισαγωγή μαγνητών στους ρότορες SynRM δημιουργεί PMa-SynRMs—υποσχόμενους υποψήφιους για ηλεκτροκινητήρες EV. Παρόμοια με τα εσωτερικά PMSM, αυτά τα μηχανήματα ενσωματώνουν μαγνήτες φερρίτη σε φράγματα ροής ρότορα για να ενισχύσουν την αναλογία προεξοχής. Η πολικότητα των μαγνητών αντισταθμίζει τη ροή τετραγωνικού άξονα, ελαχιστοποιώντας το Lq και μεγιστοποιώντας την αναλογία Ld/Lq για την ενίσχυση της ροπής απροθυμίας (η οποία κυριαρχεί έναντι της ροπής ευθυγράμμισης).

Τα PMa-SynRM συνδυάζουν πλεονεκτήματα κινητήρα PM και απροθυμίας: υψηλή απόδοση, πυκνότητα, συντελεστής ισχύος και εύρος ταχύτητας. Η χρήση φερριτών χαμηλού κόστους αντί για μαγνήτες σπάνιων γαιών αντιμετωπίζει τις ανησυχίες κόστους/προμήθειας, ενώ παράλληλα μειώνει τους κινδύνους απομαγνήτισης και το back-EMF. Τα σχέδια ρότορα χρησιμοποιούν κοιλότητες πολλαπλών στρωμάτων για ενσωματωμένους φερρίτες, βελτιστοποιώντας τη μαγνητική υπεροχή. Αν και δεν έχει ακόμη εμπορευματοποιηθεί σε ηλεκτρικά οχήματα, οι προσπάθειες ανάπτυξης συνεχίζονται για πρωτότυπα PMa-SynRM που βασίζονται σε φερρίτη.

Σύγκριση απόδοσης κινητήρα

Κατά την αξιολόγηση των τύπων κινητήρων (SRM, WFFSM, PMFSM, PMa-SynRM, PMSM και SCIM), κανένας υποψήφιος δεν ξεπερνά σαφώς τους άλλους σε όλες τις μετρήσεις. Τα βασικά ζητήματα περιλαμβάνουν κυματισμό ροπής, θόρυβο/δόνηση, δυνατότητα κατασκευής, ανθεκτικότητα, ανοχή σφαλμάτων, εύρος σταθερής ισχύος και πολυπλοκότητα ελέγχου. Απαιτείται ολοκληρωμένη ανάλυση για την αντιστοίχιση συγκεκριμένων απαιτήσεων εφαρμογής με τα βέλτιστα χαρακτηριστικά κινητήρα.