Testna vožnja sinhronega motorja: kaj to pomeni?
Električni avtomobili so še vedno v senci razvoja baterij
Hiter razvoj hibridnih pogonskih sklopov in napredek brez primere v zadnjih letih na področju električnih vozil sta glavni poudarek razvoja baterijske tehnologije. Od razvijalcev zahtevajo največ sredstev in so največji izziv za oblikovalce. Ne smemo pa podcenjevati dejstva, da napredek pri razvoju naprednih litij-ionskih tehnologij spremlja pomemben napredek na področju regulacije moči električnih tokov in elektromotorjev. Izkazalo se je, da imajo električni motorji, čeprav imajo visok izkoristek, resno področje za razvoj.
Oblikovalci pričakujejo, da bo industrija rasla izjemno hitro, ne samo zato, ker so električna vozila vse pogostejša, ampak tudi zato, ker je elektrifikacija vozil na zgorevanje pomemben element ravni emisij, določenih v Evropski uniji.
Čeprav ima električni motor starodavno zgodovino, se danes oblikovalci srečujejo z novimi izzivi. Elektromotorji imajo lahko glede na namen ozko zasnovo in velik premer ali majhen premer in dolgo telo. Njihovo vedenje v čisto električnih vozilih se razlikuje od hibridov, kjer je treba upoštevati toploto, ki jo ustvarja motor z notranjim zgorevanjem. Pri električnih vozilih je območje hitrosti širše, tista, ki so nameščena v vzporednem hibridnem sistemu v menjalniku, pa morajo biti optimizirana za delovanje v območju hitrosti motorja z notranjim izgorevanjem. Večina strojev deluje na visoki napetosti, bolj pa bodo postali priljubljeni električni stroji, ki jih poganja 48 voltov.
Zakaj AC motorji
Kljub temu, da je vir električne energije v akumulatorju enosmerni tok, oblikovalci električnih sistemov trenutno ne razmišljajo o uporabi enosmernih elektromotorjev. Tudi z pretvorbenimi izgubami enote izmeničnega toka, zlasti sinhrone, prekašajo enosmerne enote. Toda kaj pravzaprav pomeni sinhroni ali asinhroni motor? Predstavili vam bomo ta del avtomobilskega sveta, ker čeprav električni avtomobili že dolgo obstajajo v avtomobilih v obliki zaganjalnikov in alternatorjev, so bile na tem področju pred kratkim uvedene povsem nove tehnologije.
Toyota, GM in BMW so zdaj nekateri redki proizvajalci, ki so sami prevzeli razvoj in proizvodnjo elektromotorjev. Tudi Toyotina hčerinska družba Lexus te naprave dobavlja drugemu podjetju, japonskemu Aisinu. Večina podjetij se zanaša na dobavitelje, kot so ZF Sachs, Siemens, Bosch, Zytec ali kitajska podjetja. Očitno je, da hiter razvoj te dejavnosti omogoča takšnim podjetjem, da imajo koristi od partnerstva s proizvajalci avtomobilov. Kar zadeva tehnološko plat stvari, se danes za potrebe električnih vozil in hibridov uporabljajo predvsem sinhronski motorji z zunanjim ali notranjim rotorjem.
Zmožnost učinkovite pretvorbe enosmernih baterij v trifazne izmenične in obratno je predvsem posledica napredka v nadzorni tehnologiji. Vendar trenutne ravni v močnostni elektroniki dostikrat dosežejo ravni, ki jih najdemo v gospodinjskem električnem omrežju, in pogosto presegajo 150 amperov. To ustvarja veliko toplote, s katero se mora spopasti močnostna elektronika. Trenutno je obseg elektronskih krmilnih naprav še vedno velik, ker elektronskih polprevodniških krmilnih naprav ni mogoče zmanjšati s čarobno palico.
Sinhroni in asinhroni motorji so vrsta električnih strojev z vrtljivim magnetnim poljem, ki imajo večjo gostoto moči. Na splošno je rotor indukcijskega motorja sestavljen iz preprostega paketa trdnih plošč s kratkostičnimi navitji. Tok teče v navitjih statorja v nasprotnih parih, pri čemer v vsakem paru teče tok iz ene od treh faz. Ker je v vsakem od njih premaknjen v fazi za 120 stopinj glede na drugega, dobimo tako imenovano vrtljivo magnetno polje. To pa inducira magnetno polje v rotorju in interakcija med dvema magnetnima poljema - vrtečima se v statorju in magnetnim poljem rotorja, vodi do vnosa slednjega in posledične rotacije. Vendar pa pri tej vrsti elektromotorja rotor vedno zaostaja za poljem, ker če med poljem in rotorjem ni relativnega gibanja, ne bo induciral magnetnega polja v rotorju. Tako je raven največje hitrosti določena s frekvenco napajalnega toka in obremenitve. Zaradi večje učinkovitosti sinhronih motorjev pa večina proizvajalcev ostaja pri njih.
Sinhroni motorji
Te enote imajo bistveno večjo učinkovitost in gostoto moči. Pomembna razlika od asinhronega motorja je, da magnetno polje v rotorju ne nastane zaradi interakcije s statorjem, ampak je rezultat toka, ki teče skozi dodatna navitja, nameščena v njem, ali trajnih magnetov. Tako sta polje v rotorju in polje v statorju sinhrono, največja hitrost motorja pa je odvisna tudi od vrtenja polja oziroma frekvence toka in obremenitve. Da bi se izognili potrebi po dodatnem napajanju navitij, kar poveča porabo energije in oteži trenutno regulacijo sodobnih električnih vozil in hibridnih modelov, se uporabljajo elektromotorji s tako imenovanim konstantnim vzbujanjem, tj. s trajnimi magneti. Kot smo že omenili, skoraj vsi proizvajalci takšnih avtomobilov trenutno uporabljajo tovrstne enote, zato bo po mnenju številnih strokovnjakov še vedno težava s pomanjkanjem dragih redkozemeljskih elementov neodima in disprozija. Sinhroni motorji so na voljo v različnih sortah in mešanih tehnoloških rešitvah, kot sta BMW ali GM, vendar vam bomo o njih povedali več.
Gradbeništvo
Povsem električni motorji vozil so običajno povezani neposredno z diferencialom pogonske osi, moč pa se prenaša na kolesa prek osi, kar zmanjšuje izgube pri mehanskem prenosu. S to postavitvijo pod tlemi se težišče zmanjša in celotna zasnova bloka postane bolj kompaktna. Povsem drugače je pri postavitvi hibridnih modelov. Pri polnih hibridih, kot sta enojni način (Toyota in Lexus) in dvojni način (Chevrolet Tahoe), so elektromotorji na nek način povezani s planetnimi zobniki v hibridnem pogonskem sklopu; v tem primeru kompaktnost zahteva, da je njihova zasnova daljša in manjša. premer. Pri klasičnih vzporednih hibridih zahteve glede kompaktnosti pomenijo, da ima sklop, ki se prilega med vztrajnik in menjalnik, večji premer in je precej raven, pri čemer se proizvajalci, kot sta Bosch in ZF Sachs, zanašajo celo na zasnovo rotorja v obliki diska. Obstajajo tudi različice rotorja - medtem ko je pri Lexusu LS 600h vrtljivi element nameščen znotraj, je pri nekaterih Mercedesovih modelih vrtljivi rotor zunaj. Slednja izvedba je izjemno priročna tudi v primerih, ko so elektromotorji nameščeni v pestah koles.
Besedilo: Georgy Kolev
