Evs steigert die Nachfrage nach Käfigläufer-Induktionsmotoren

Stellen Sie sich vor, ein hocheffizientes "Herz" schlägt leise in einem Elektrofahrzeug, das zuverlässige Energie ohne komplexe Bürstenstrukturen liefert.Ein weit verbreiteter Wechselstrommotor sowohl für industrielle Anwendungen als auch für ElektrofahrzeugeAber was macht diesen Motor so einzigartig und welche Herausforderungen und Chancen bietet er?

Übersicht

Der Eichhörnchenkäfig-Induktionsmotor ist ein bürstenloser Wechselstrommotor, der durch sinusförmige Spannung und Strom angetrieben wird.geringe Wartungsanforderungen, und die Fähigkeit, in rauen Umgebungen zu arbeiten, machen es ideal für industrielle Anwendungen und elektrische Antriebssysteme.

Anwendungen für Elektrofahrzeuge

SCIMs wurden in mehreren kommerziell erhältlichen batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs) implementiert, darunter Pkw, Busse und leichte Lastwagen.Tazzari Null, Mercedes-Benz B-Klasse Electric Drive, Mahindra e2o und Toyota RAV4 EV. Zusätzlich,Die erste Version des leichten Newton-Elektrofahrzeugs von Smith Electric Vehicles und der batterieelektrische Bus Optare Solo EV verwenden ebenfalls dreiphasige SCIMs.

Arbeitsprinzip und Strukturmerkmale

Als asynchroner Motor arbeitet das SCIM mit einer Differenz zwischen der durch Statorwicklungen erzeugten rotierenden Magnetfeldgeschwindigkeit und der Rotorschwindigkeit.Seine relativ einfache Struktur vereinfacht die Konstruktions- und Fertigungsprozesse im Vergleich zu anderen MotortypenIm Gegensatz zu Permanentmagnetmotoren verwenden SCIMs erschwinglichere Materialien.Motoren mit höheren Phasenzahlen werden entwickelt, um die Leistungsdichte zu verbessern und das Drehmoment und den Strom pro Phase zu reduzieren.

Der Rotor enthält einen gegossenen Aluminium-Eichhörnchenkäfig, mit Rotorströmen, die durch das rotierende Magnetfeld des Stators induziert werden.Die Wechselwirkung zwischen diesem Feld und dem Magnetfeld des Rotorstroms erzeugt elektromagnetisches DrehmomentDie Effizienz kann durch die Verwendung von Kupfer anstelle von Aluminium für Rotorstangen und Endringe verbessert werden.

Leistungsbeschränkungen und Verbesserungsmaßnahmen

SCIMs haben inhärente Nachteile, darunter schwierige Niedriggeschwindigkeitssteuerung, geringer Leistungsfaktor unter leichten Belastungen, hoher Startrend, relativ geringer Wirkungsgrad und schlechte Inverternutzung.Selbst bei LeerlastBei der Verwendung eines entsprechenden Steuerungstechniks kann ein maximales Startdrehmoment bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines niedrigen Startstroms erreicht werden.

Für Hubmotor-Anwendungen können SCIMs Außenkäfigrotoren einsetzen, um den Luftlücke Durchmesser und das Ausgangsdrehmoment zu erhöhen.sie für BEVs geeigneter machen als Hybrid- oder Plug-in-Hybridfahrzeuge, bei denen Platzbeschränkungen bestehenDie Höchstgeschwindigkeit ist in der Regel auf 10.000 U/min begrenzt, obwohl Feldschwächertechniken den konstanten Leistungsbereich auf das 4- bis 5-fache der Grundgeschwindigkeit erweitern können, was für Elektrofahrzeuge eine entscheidende Anforderung ist.

Steuerungstechnologien

Derzeit werden verschiedene Geschwindigkeits- und Drehmomentstechniken eingesetzt. Die einfachste ist die skalare Steuerung, die Spannungsgröße und Frequenz anpasst, obwohl ihre vorübergehende Leistung begrenzt ist.Zur Verbesserung der vorübergehenden Reaktion, Feldorientierte Steuerung (FOC) und direkte Drehmomentregelung (DTC) werden eingeführt, während sensorlose Steuerungsmethoden (Elimination von Geschwindigkeits-/Positionssensoren) an Bedeutung gewinnen.

Elektrische Maschinen und Apparate

Permanentmagnet-Bürstenlose Motoren fallen in zwei Kategorien: bürstenlose Gleichspannung (BLDC) und bürstenlose Wechselstrom (permanentmagnet synchrone Motoren oder PMSM).Die Anordnung der Statorwickelungen unterscheidet sichBLDC-Motoren verwenden trapezförmige Wicklungen mit trapezförmigen Rückwärts-EMF, die typischerweise durch rechteckige Phasenströme angetrieben werden.Dies ermöglicht einfache Steuerungsmethoden mit Position Rückkopplung sechsmal pro Drehung erkannt.

PMSM entwickelten sich aus Wunde-Rotor-Synchronmotoren, die Bürsten-/Slip-Ring-Erregungswicklungen durch Permanentmagnete ersetzten.mit Sinuswicklungen, die durch Sinusströme angetriebenes Sinus-Back-EMF erzeugenDiese Unterschiede beeinflussen das Motorverhalten und die Steuerungsalgorithmen erheblich und machen die PMSM besser für Elektrofahrzeuge geeignet.

Konstruktion eines Permanentmagnetmotors

Während die meisten PMSM Radial-Fluss-Konstruktionen verwenden, bieten axial-Fluss-Konfigurationen Vorteile in Bezug auf das Drehmoment-Inertia-Verhältnis und die Leistungsdichte für bestimmte Leistungsbereiche, insbesondere in Hubmotor-Anwendungen.Seltenerdmagnete dominieren die Antriebssysteme von Elektrofahrzeugen aufgrund ihrer überlegenen magnetischen Eigenschaften, obwohl hocheffiziente PMSM mit niedrigeren Magneten designt werden können.

PMSM für seltene Erden bieten attraktive Eigenschaften wie hohe Leistungsdichte/Drehmomentdichte, synchroner Betriebsgeschwindigkeit, hohe Effizienz, präzise Drehmomentregelung und wartungsfreien Betrieb.Einschränkungen umfassen eine eingeschränkte Fähigkeit zur Feldschwäche (insbesondere bei oberflächenmontierten PMSMs), demagnetisierungsrisiken durch mechanische Stoßwirkungen, hohe Temperaturen oder Kurzschlusswirkungen, die Sicherheit und Fehlerverträglichkeit zu entscheidenden Anliegen machen.

Ausgeschaltete Zögerungsmotoren

Schaltungsmotoren (Switched Reluctance Motors, SRMs) sind bürstenlose Maschinen mit doppelt hervorstechenden Strukturen, die sowohl den Rotor als auch den Stator ausstehende Pole aufweisen.während der Rotor weder Wicklungen noch Magnete hat. Die Rotorbewegung wird durch eine sequentielle Anstrengung der Statorstangen über eine elektronische Steuerung aufrechterhalten.

SRMs bieten aufgrund ihrer unkomplizierten Rotorstruktur Einfachheit, geringe Kosten und eine einfache Herstellung.1)"ideal für getriebefreie Elektrofahrzeuge" zusammen mit hohem Temperaturvermögen, geringe Rotorträglichkeit, hohes Startdrehmoment und schnelle Beschleunigung.,und geringerer Effizienz durch höhere Eisenverluste.

Flussschaltmotoren

Flusswechselmotoren (FSM) sind doppelt hervorstechende bürstenlose Maschinen, die für Traktionsanwendungen untersucht werden.Ihre Statoren enthalten sowohl Gleichspannungs- als auch Wechselstrom-Armaturenwicklungen (typischerweise dreiphasig)Die Einfachheit des Rotors macht FSMs robust für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb.

Zu den FSM-Varianten gehören Wickel-excited (WFFSM), Permanent Magnet (PMFSM) und Hybrid-excited (HEFSM).WFFSMs sind in dieser Hinsicht durch Gleichspannungskontrollen hervorragend.Zu den attraktiven Merkmalen des FSM gehören die strukturelle Einfachheit, die hohe Luftlücke-Flussdichte (die eine hohe Leistungs-/Drehmomentdichte ermöglicht) und die Robustheit für raue Umgebungen.Zu den Nachteilen zählen höhere Kupferverluste und die inhärente Drehmomentwelle.

Synchrone Reluctance-Motoren

Synchrone Widerstandsmotoren (SynRMs) arbeiten synchron über dreiphasige Wechselstromversorgung.Das Drehmoment entsteht ausschließlich durch magnetische Zurückhaltung., die für eine optimale Leistung hohe Ausschnittsverhältnisse (Ld/Lq) erfordern.

SynRMs bieten eine einfache Herstellung und wettbewerbsfähige Leistungsfaktor-/Wechselrichteranforderungen gegenüber Induktionsmotoren, obwohl sie PMSMs in Effizienz und Drehmomentdichte hinter sich lassen.Eine sorgfältige Planung der Flussbarriere kann die Probleme mit der Drehmomentwelle lindernMehrere Hersteller bieten jetzt SynRMs in industrieller Qualität an, wobei kürzlich Prototypen für EV-Anwendungen entwickelt wurden.

mit einer Leistung von mehr als 100 W

Durch das Einsetzen von Magneten in SynRM-Rotoren entstehen PMa-SynRMs als vielversprechende Kandidaten für Elektrofahrzeuge.Diese Maschinen integrieren Ferritmagnete in Rotor-Flussbarrieren, um das Ausschlagverhältnis zu erhöhen.Die Polarität der Magnete wird durch die Quadratur-Achse-Flussmenge beeinflusst, wodurch Lq minimiert und das Verhältnis Ld/Lq maximiert wird, um das Widerwillen-Drehmoment (das über das Ausrichtungsdrehmoment herrscht) zu erhöhen.

PMa-SynRMs kombinieren die Vorteile von PM- und Reluctance-Motor: hohe Effizienz, Dichte, Leistungsfaktor und Geschwindigkeitsbereich.Die Verwendung von kostengünstigen Ferriten anstelle von Seltenerdmagneten löst Kosten-Versorgungsprobleme und reduziert gleichzeitig die Demagnetisierungsrisiken und die Rückwirkung von EMFDie Rotorentwürfe verwenden mehrschichtige Hohlräume für eingebettete Ferrite, die die magnetische Ausprägung optimieren.Weiterentwicklung von PMa-SynRM-Prototypen auf Ferritbasis.

Motorische Leistung

Bei der Bewertung von Motortypen (SRMs, WFFSMs, PMFSMs, PMa-SynRMs, PMSMs und SCIMs) übertrifft kein einzelner Kandidat eindeutig andere in allen Messgrößen.Geräusche/Vibrationen, Fertigbarkeit, Robustheit, Fehlertoleranz, Konstante Leistungsbereich und Steuerungskomplexität.Eine umfassende Analyse ist erforderlich, um spezifische Anwendungsbedürfnisse mit optimalen Motormerkmalen in Einklang zu bringen.