Evs guida la domanda di motori a induzione per gabbie da scoiattolo

Immaginate un "cuore" altamente efficiente che batte silenziosamente all'interno di un veicolo elettrico, uno che fornisce una potenza affidabile senza strutture di spazzole complesse.un motore CA ampiamente utilizzato sia in applicazioni industriali che nei veicoli elettriciMa cosa rende unico questo motore e quali sfide e opportunità si presenta?

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Il motore di induzione della gabbia degli scoiattoli è un motore alternativo senza spazzole alimentato da tensione e corrente sinusoidale.bassi requisiti di manutenzione, e la capacità di funzionare in ambienti difficili lo rendono ideale per applicazioni industriali e sistemi di propulsione elettrica.

Applicazioni per veicoli elettrici

Gli SCIM sono stati implementati in diversi veicoli elettrici a batteria (BEV) disponibili in commercio, tra cui autovetture, autobus e camion leggeri.Tazzari Zero, Mercedes-Benz B-Class Electric Drive, Mahindra e2o, e Toyota RAV4 EV.la prima versione del camion elettrico leggero Newton di Smith Electric Vehicles e il bus elettrico a batteria Optare Solo EV utilizzano anche SCIM a tre fasi.

Principio di funzionamento e caratteristiche strutturali

Come motore asincrono, il SCIM funziona con una differenza tra la velocità di rotazione del campo magnetico generata dagli avvolgimenti dello statore e la velocità del rotore.La sua struttura relativamente semplice semplifica i processi di progettazione e produzione rispetto ad altri tipi di motoriA differenza dei motori a magneti permanenti, gli SCIM utilizzano materiali più convenienti.motori con un numero di fasi più elevato sono in fase di sviluppo per migliorare la densità di potenza e ridurre il torque e la corrente per fase.

Il rotore contiene una gabbia di scoiattoli in alluminio fuso, con correnti del rotore indotte dal campo magnetico rotante dello statore.L'interazione tra questo campo e il campo magnetico della corrente del rotore genera coppia elettromagneticaL'efficienza può essere migliorata utilizzando rame invece di alluminio per le barre del rotore e gli anelli finali.

Limitazioni delle prestazioni e misure di miglioramento

Gli SCIM hanno inconvenienti intrinseci tra cui il controllo difficile a bassa velocità, basso fattore di potenza sotto carichi leggeri, alta corrente di avvio, relativamente bassa efficienza e scarsa utilizzazione dell'inverter.Anche in condizioni di zero caricoLa corrente di magnetizzazione aumenta le perdite di rame e i valori nominali dei convertitori elettronici.

Per le applicazioni dei motori a navata, gli SCIM possono utilizzare rotori esterni per aumentare il diametro dell'intervallo d'aria e la coppia di uscita.rendendoli più adatti ai veicoli elettrici a motore rispetto ai veicoli ibridi o ibridi plug-in in cui esistono vincoli di spazioLa velocità massima è in genere limitata a 10.000 giri/minuto, sebbene le tecniche di indebolimento del campo possano estendere la gamma di potenza costante a 4-5 volte la velocità di base, un requisito cruciale per i veicoli elettrici.

Tecnologie di controllo

Attualmente sono utilizzate varie tecniche di controllo della velocità e della coppia, la più semplice è il controllo scalare, che regola la grandezza e la frequenza della tensione, anche se le sue prestazioni transitorie sono limitate.Per una migliore risposta transitoria, il controllo orientato sul campo (FOC) e il controllo diretto della coppia (DTC) sono in fase di implementazione, mentre i metodi di controllo senza sensori (eliminazione dei sensori di velocità/posizione) stanno guadagnando attenzione.

Motori a magnete permanente

I motori senza spazzole a magnete permanente si dividono in due categorie: DC senza spazzole (BLDC) e AC senza spazzole (motori sincroni a magnete permanente o PMSM).le loro disposizioni di avvolgimento dello statore differiscono. I motori BLDC utilizzano avvolgimenti trapezoidali con EMF trapezoidali, in genere alimentati da correnti di fase rettangolare.Questo consente metodi di controllo semplici utilizzando posizionamento feedback rilevato sei volte per rotazione.

I PMSM si sono evoluti da motori sincronici a rotore di ferita, sostituendo avvolgimenti di eccitazione a spazzola / anello di scivolo con magneti permanenti.con avvolgimenti sinusoidali che producono retro-EMF sinusoidali alimentati da correnti sinusoidaliQueste differenze hanno un impatto significativo sul comportamento motorio e sugli algoritmi di controllo, rendendo i PMSM più adatti ai sistemi di trazione dei veicoli elettrici.

Progettazione del motore a magnete permanente

Mentre la maggior parte dei PMSM utilizza progetti a flusso radiale, le configurazioni a flusso assiale offrono vantaggi nel rapporto coppia-inerzia e nella densità di potenza per determinate gamme di potenza, in particolare nelle applicazioni di motori hub.I magneti delle terre rare dominano i sistemi di propulsione dei veicoli elettrici a causa delle proprietà magnetiche superiori, anche se PMSM ad alta efficienza possono essere progettati con gradi magnetici inferiori.

I PMSM delle terre rare offrono caratteristiche interessanti, tra cui elevata densità di potenza/coppia, funzionamento a velocità sincrona, elevata efficienza, controllo preciso della coppia e funzionamento senza manutenzione.le limitazioni includono una limitata capacità di indebolimento del campo (soprattutto nei PMSM montati in superficie), i rischi di demagnetizzazione dovuti a scosse meccaniche, temperature elevate o effetti di cortocircuito, che rendono critica la sicurezza e la tolleranza ai guasti.

Motori di riluttanza commutati

I motori a riluttanza commutata (SRM) sono macchine senza spazzole con strutture doppiamente salienti, che hanno poli sporgenti sia per il rotore che per lo statore.mentre il rotore non ha né avvolgimenti né magnetiIl movimento del rotore è mantenuto da una sequenza di energia dei poli dello statore tramite controllo elettronico.

Gli SRM offrono semplicità, basso costo e facilità di produzione grazie alla loro struttura del rotore non complicata.1) ‘ideale per i veicoli elettrici senza ingranaggi ‘insieme alla capacità ad alta temperatura, bassa inerzia del rotore, coppia di partenza elevata e rapida accelerazione. Tuttavia, le limitazioni intrinseche includono una significativa ondulazione della coppia, vibrazioni, rumore acustico, controllo complesso a causa dell'alta non linearità,e minore efficienza a causa di maggiori perdite di ferro.

Motori a commutazione di flusso

I motori a commutazione di flusso (FSM) sono due volte più importanti delle macchine senza spazzole oggetto di indagine per applicazioni di trazione.I loro statori contengono avvolgimenti di eccitazione CC e avvolgimenti di armatura AC (tipicamente trifasici), riducendo le vibrazioni/rumore rispetto agli SRM. La semplicità del rotore rende gli FSM robusti per il funzionamento ad alta velocità.

Le varianti di FSM includono tipo eccitati da avvolgimento (WFFSM), magneti permanenti (PMFSM) e ibridi eccitati (HEFSM).I WFFSM eccellono in questo senso grazie al controllo dell'avvolgimento a corrente continuaTra le caratteristiche interessanti del FSM figurano la semplicità strutturale, l'elevata densità del flusso di aria (con una elevata densità di potenza/corrente) e la robustezza per ambienti difficili.Gli svantaggi includono maggiori perdite di rame e un'incremento inerente della coppia.

Motori a rilancio sincroni

I motori di riluttanza sincrona (SynRM) funzionano in modo sincrono tramite potenza CA a tre fasi.La coppia deriva unicamente dalla riluttanza magnetica, che richiedono elevati rapporti di salienza (Ld/Lq) per prestazioni ottimali.

I motori SynRM offrono semplicità di produzione e requisiti competitivi per il fattore di potenza / inverter rispetto ai motori a induzione, anche se seguono i PMSM in termini di efficienza e densità di coppia.Un'attenta progettazione della barriera di flusso può mitigare i problemi di ripple di coppiaDiversi produttori offrono ora SynRM di livello industriale, con recenti prototipi sviluppati per applicazioni EV.

Motori di rilancio sincronici a magnete permanente

L'inserimento di magneti nei rotori SynRM crea PMa-SynRM – candidati promettenti per i propulsori elettrici.Queste macchine incorporano magneti di ferrite nelle barriere di flusso del rotore per aumentare il rapporto di salienzaLa polarità dei magneti contrasta con il flusso dell'asse quadrato, riducendo al minimo Lq e massimizzando il rapporto Ld/Lq per aumentare la coppia di riluttanza (che domina la coppia di allineamento).

I PMa-SynRM combinano i vantaggi del motore di PM e di riluttanza: elevata efficienza, densità, fattore di potenza e gamma di velocità.L'utilizzo di ferrite a basso costo al posto di magneti di terre rare risolve i problemi di costo/offerta riducendo al contempo i rischi di demagnetizzazione e di retro-EMFI modelli dei rotori utilizzano cavità a più strati per le ferrite incorporate, ottimizzando la salienza magnetica.Continuano gli sforzi di sviluppo sui prototipi PMa-SynRM a base di ferrite.

Confronto delle prestazioni motorie

Nel valutare i tipi di motore (SRM, WFFSM, PMFSM, PMa-SynRM, PMSM e SCIM), nessun candidato supera chiaramente gli altri su tutte le metriche.rumore/vibrazioni, fabbricabilità, robustezza, tolleranza ai guasti, gamma di potenza costante e complessità di controllo.È necessaria un'analisi completa per far corrispondere i requisiti specifici di applicazione alle caratteristiche ottimali del motore.