EVs thúc đẩy nhu cầu về động cơ cảm ứng lồng sóc

Hãy tưởng tượng một "trái tim" hiệu quả cao đập âm thầm trong một chiếc xe điện - một chiếc cung cấp năng lượng đáng tin cậy mà không cần các cấu trúc chải phức tạp.một động cơ biến đổi chiều được sử dụng rộng rãi trong cả các ứng dụng công nghiệp và xe điệnNhưng điều gì làm cho động cơ này độc đáo, và nó phải đối mặt với những thách thức và cơ hội nào?

Tổng quan

Động cơ cảm ứng lồng sóc là một động cơ AC không bàn chải được cung cấp bởi điện áp và dòng điện sinusoidal.yêu cầu bảo trì thấp, và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp và hệ thống đẩy điện.

Ứng dụng xe điện

SCIM đã được thực hiện trong một số phương tiện điện pin có sẵn trên thị trường, bao gồm xe hơi, xe buýt và xe tải nhẹ.Tazzari Zero, Mercedes-Benz B-Class Electric Drive, Mahindra e2o, và Toyota RAV4 EV.phiên bản đầu tiên của xe tải điện hạng nhẹ Newton của Smith Electric Vehicles và xe buýt pin điện Optare Solo EV cũng sử dụng SCIM ba pha.

Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm cấu trúc

Là một động cơ không đồng bộ, SCIM hoạt động với sự khác biệt giữa tốc độ xoay từ trường được tạo ra bởi cuộn stator và tốc độ rotor.Cấu trúc tương đối đơn giản của nó đơn giản hóa quy trình thiết kế và sản xuất so với các loại động cơ khácKhông giống như động cơ nam châm vĩnh viễn, SCIM sử dụng vật liệu giá cả phải chăng hơn.Các động cơ có số pha cao hơn đang được phát triển để cải thiện mật độ công suất và giảm xoắn buồng và dòng điện mỗi pha.

Rotor chứa một lồng sóc nhôm đúc, với các dòng rotor được tạo ra bởi từ trường quay của stator.Sự tương tác giữa trường này và trường từ của dòng rotor tạo ra mô-men xoắn điện từHiệu quả có thể được tăng cường bằng cách sử dụng đồng thay vì nhôm cho các thanh quay và vòng cuối.

Hạn chế hiệu suất và các biện pháp cải thiện

SCIM có những nhược điểm vốn có bao gồm điều khiển tốc độ thấp khó khăn, yếu tố điện thấp dưới tải trọng nhẹ, dòng khởi động cao, hiệu suất tương đối thấp và sử dụng biến tần kém.Ngay cả trong điều kiện không tảiCác kỹ thuật điều khiển thích hợp có thể đạt được mô-men xoắn khởi động tối đa trong khi duy trì dòng khởi động thấp.

Đối với các ứng dụng động cơ trục, SCIM có thể sử dụng các rotor ngoài lồng để tăng đường kính lỗ không khí và mô-men xoắn đầu ra.làm cho chúng phù hợp hơn cho BEV so với xe hybrid hoặc xe hybrid cắm vào nơi có hạn chế không gianTốc độ tối đa thường được giới hạn ở 10.000 vòng / phút, mặc dù các kỹ thuật làm suy yếu trường có thể mở rộng phạm vi công suất không đổi lên 4-5 lần tốc độ cơ bản - một yêu cầu quan trọng cho xe điện.

Công nghệ điều khiển

Hiện nay có nhiều kỹ thuật điều khiển tốc độ và mô-men xoắn khác nhau được sử dụng.Để cải thiện phản ứng tạm thời, điều khiển theo định hướng trường (FOC) và điều khiển mô-men xoắn trực tiếp (DTC) đang được thực hiện, trong khi các phương pháp điều khiển không cảm biến (loại bỏ các cảm biến tốc độ / vị trí) đang thu hút sự chú ý.

Động cơ nam châm vĩnh viễn

Các động cơ không chải nam châm vĩnh viễn được chia thành hai loại: DC không chải (BLDC) và AC không chải (những động cơ đồng bộ hoặc PMSM).sắp xếp cuộn stator của họ khác nhauĐộng cơ BLDC sử dụng cuộn dây trapezoidal với trapezoidal back-EMF, thường được cung cấp bởi dòng pha hình chữ nhật.Điều này cho phép các phương pháp điều khiển đơn giản bằng cách sử dụng phản hồi vị trí cảm nhận sáu lần mỗi vòng quay.

PMSM phát triển từ động cơ đồng bộ vòng xoắn, thay thế cuộn dây kích thích bàn chải / vòng trượt bằng nam châm vĩnh viễn.với cuộn dây sinusoidal tạo ra back-EMF sinusoidal được cung cấp bởi dòng sinusoidalNhững khác biệt này ảnh hưởng đáng kể đến hành vi động cơ và các thuật toán điều khiển, làm cho PMSM phù hợp hơn cho các hệ thống kéo EV.

Thiết kế động cơ nam châm vĩnh viễn

Trong khi hầu hết các PMSM sử dụng thiết kế luồng phóng xạ, cấu hình luồng trục cung cấp những lợi thế về tỷ lệ mô-men xoắn và quán tính và mật độ công suất cho các phạm vi công suất nhất định, đặc biệt là trong các ứng dụng động cơ trục.Nam châm đất hiếm thống trị hệ thống đẩy EV do tính chất từ tính vượt trội, mặc dù PMSM hiệu quả cao có thể được thiết kế với các loại nam châm thấp hơn.

PMSM đất hiếm cung cấp các đặc điểm hấp dẫn bao gồm mật độ công suất / mô-men xoắn cao, vận hành tốc độ đồng bộ, hiệu quả cao, điều khiển mô-men xoắn chính xác và hoạt động không cần bảo trì.hạn chế bao gồm khả năng suy yếu trường hạn chế (đặc biệt là trong PMSM gắn trên bề mặt), rủi ro mất từ từ do sốc cơ học, nhiệt độ cao hoặc hiệu ứng mạch ngắn làm cho an toàn và dung nạp lỗi là những mối quan tâm quan trọng.

Chuyển động cơ miễn cưỡng

Động cơ miễn cưỡng chuyển đổi (SRM) là các máy không chải với cấu trúc nhô ra gấp đôi. Cả rotor và stator đều có các cực nhô ra.trong khi rotor không có cuộn dây hoặc nam châm. Phong trào rotor được duy trì bằng cách tiếp tục kích hoạt các cột stator thông qua điều khiển điện tử.

SRM cung cấp sự đơn giản, chi phí thấp và dễ dàng sản xuất do cấu trúc rotor không phức tạp của chúng.1) Ứng dụng lý tưởng cho các phương tiện EV không có bánh răngTuy nhiên, những hạn chế vốn có bao gồm sóng mô-men xoắn đáng kể, rung động, tiếng ồn âm thanh, điều khiển phức tạp do tính không tuyến tính cao.,và hiệu quả thấp hơn do mất sắt cao hơn.

Động cơ chuyển mạch luồng

Các động cơ chuyển mạch dòng chảy (FSM) là các máy không chải nổi bật gấp đôi đang được nghiên cứu cho các ứng dụng kéo.Các stator của chúng chứa cả hai cuộn dây kích thích DC và cuộn dây armature AC (thường là ba pha), giảm rung động / tiếng ồn so với SRM. Sự đơn giản của rotor làm cho FSM mạnh mẽ cho hoạt động tốc độ cao.

Các biến thể FSM bao gồm các loại được kích thích bằng cuộn dây (WFFSM), nam châm vĩnh viễn (PMFSM) và pha trộn (HEFSM).WFFSM xuất sắc trong vấn đề này thông qua điều khiển cuộn dây DCCác tính năng hấp dẫn của FSM bao gồm sự đơn giản về cấu trúc, mật độ luồng không khí cao (mang lại mật độ công suất / mô-men xoắn cao) và độ bền cho môi trường khắc nghiệt.Những nhược điểm bao gồm tổn thất đồng cao hơn và xoáy mô-men xoắn vốn có.

Động cơ miễn cưỡng đồng bộ

Động cơ miễn dịch đồng bộ (SynRM) hoạt động đồng bộ thông qua nguồn AC ba pha. Động cơ xoắn ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốp ốpMô-men xoắn chỉ có nguồn gốc từ sự miễn cưỡng từ tínhCác thiết kế rotor đa rào cản luồng dẫn luồng từ trong khi chặn luồng trục vuông.

SynRM cung cấp sự đơn giản trong sản xuất và các yêu cầu yếu tố công suất / biến tần cạnh tranh so với động cơ cảm ứng, mặc dù chúng đi sau PMSM về hiệu quả và mật độ mô-men xoắn.Thiết kế hàng rào dòng chảy cẩn thận có thể giảm bớt các vấn đề xoáy mô-men xoắnMột số nhà sản xuất hiện đang cung cấp SynRM cấp công nghiệp, với các nguyên mẫu gần đây được phát triển cho các ứng dụng EV.

Động cơ miễn cưỡng đồng bộ được hỗ trợ bởi nam châm vĩnh viễn

Chèn nam châm vào các rotor SynRM tạo ra các ứng cử viên PMa-SynRM hứa hẹn cho động cơ EV. Tương tự như PMSM bên trong,Những máy này nhúng nam châm ferrite trong các rào cản luồng rotor để tăng tỷ lệ nổi bậtĐộ cực của nam châm chống lại luồng trục vuông, giảm thiểu Lq và tối đa hóa tỷ lệ Ld / Lq để tăng mô-men xoắn miễn cưỡng (đối với mô-men xoắn điều chỉnh).

PMa-SynRMs kết hợp các lợi thế của động cơ PM và miễn cưỡng: hiệu quả cao, mật độ, yếu tố công suất và phạm vi tốc độ.Sử dụng ferrit chi phí thấp thay vì nam châm đất hiếm giải quyết các mối quan tâm về chi phí / cung cấp trong khi giảm rủi ro phi nam châm và EMF ngượcCác thiết kế rotor sử dụng các khoang nhiều lớp cho ferrit nhúng, tối ưu hóa độ nổi từ tính.Các nỗ lực phát triển tiếp tục về các nguyên mẫu PMa-SynRM dựa trên ferrite.

So sánh hiệu suất động cơ

Khi đánh giá các loại động cơ (SRM, WFFSM, PMFSM, PMa-SynRM, PMSM và SCIM), không có ứng cử viên nào vượt trội hơn các ứng cử viên khác trên tất cả các chỉ số.tiếng ồn / rung động, khả năng sản xuất, độ chắc chắn, dung nạp lỗi, phạm vi công suất không đổi và sự phức tạp của điều khiển.Cần phân tích toàn diện để phù hợp với các yêu cầu ứng dụng cụ thể với các đặc điểm động cơ tối ưu.