Induktionsmotorer (asynkronmotorer) i elbiler
En induktionsmotor — også kaldet en asynkronmotor — skaber rotorens magnetisme uden permanentmagneter eller en separat strømforsyning til rotoren. Den enkle kortslutningsrotor, det styrbare felt og evnen til høje omdrejningstal gør den til en robust løsning til elektrisk fremdrift.
Sådan skaber induktion moment
Inverteren forsyner statorens tre faseviklinger med strømme, der er tidsmæssigt forskudt. Tilsammen danner strømmene et magnetfelt, som roterer omkring luftgabet. Feltets rotationshastighed bestemmes af den elektriske frekvens og motorens antal magnetiske poler.
Den normale rotor i en traktionsmotor er et kortslutningsbur: ledende stænger af aluminium eller kobber løber langs det laminerede stål og kortsluttes i enderne af ringe. Det roterende statorfelt skærer stængerne og inducerer strøm i dem. Strømmen danner et magnetfelt i rotoren, og samspillet mellem de to felter skaber moment.
Rotoren skal dreje med en anden hastighed end statorfeltet, for at der kan opstå induktion. Forskellen kaldes slip. Ved motordrift halter rotoren normalt efter det roterende felt; ved generatordrift, herunder regenerativ bremsning, vendes det styrede forhold, så mekanisk effekt bliver til elektrisk effekt.
Slip er en egenskab, ikke en fejl
Slip angives ofte som en procentdel af den synkrone hastighed. Det ændrer sig med momentbehovet og er ikke det samme som hjulspin. Ved lav belastning kan det nødvendige elektromagnetiske slip være lille. Større moment kræver generelt mere rotorstrøm og en større styret hastighedsforskel.
Inverteren gør langt mere end at tilføre en fast AC-forsyning. Vektorstyringen estimerer eller måler rotorfluxen og adskiller de strømkommandoer, der etablerer flux, fra dem, der skaber moment. Ved løbende at ændre fasestrøm og frekvens kan styringen frembringe et jævnt moment fra stilstand og gennem feltsvækningsområdet.
Trefaset drift skaber et jævnt roterende felt; den fjerner ikke behovet for reduktionsgear. De fleste elbil-drivenheder med induktionsmotor reducerer stadig motorakslens høje hastighed, før momentet sendes til hjulene.
Rotorens konstruktion og varme
Induktionsmotorer i personbiler bruger normalt en kortslutningsrotor, fordi den ikke har børster, slæberinge, magneter eller isolerede rotorviklinger. Der findes induktionsmaskiner med viklet rotor, men de er ikke den normale arkitektur i en moderne traktionsenhed til personbiler og må ikke forveksles med en elektrisk exciteret synkronmotor.
Fraværet af rotormagneter forenkler materialeforsyningen, men induktion betyder ikke tabsfri magnetisering. Statorstrømmen skal etablere feltet i luftgabet og overføre effekt til rotoren. Den elektriske modstand i buret omdanner en del af den inducerede rotorstrøm til varme. Ved høj belastning kan bortledning af denne varme fra en roterende komponent være en af drivenhedens vigtigste termiske udfordringer.
Styrker i en elbil
En induktionsrotor er mekanisk enkel og kan tåle høje omdrejningstal, når bur, lamineringer, aksel og lejer er dimensioneret til den deraf følgende belastning. Der er ingen risiko for afmagnetisering af permanentmagneter, og rotoren indeholder ingen magneter med sjældne jordarter.
Inverteren kan reducere maskinens flux, når der kun kræves lidt moment. Når en induktionsmotor på en sekundær aksel gøres strømløs, kan den rotere med lav elektromagnetisk modstand, fordi den ikke har et permanent rotorfelt. Tab i lejer, tætninger, tandhjul, fra olieomrøring og resterende elektromagnetiske tab består, så ”ingen modstand” skal ikke læses bogstaveligt.
Induktionsmotorer kan også klare korte overbelastninger, når inverter, batteri og kølesystem har tilstrækkelig margen. Det er nyttigt ved korte accelerationer, men temperaturen — ikke ordet ”induktion” — sætter den gentagelige grænse.
Begrænsninger og konstruktionsmæssige afvejninger
Kobbertabet i rotoren og den magnetiseringsstrøm, som statoren leverer, kan ved nogle driftspunkter reducere systemets virkningsgrad og effektfaktor sammenlignet med en veloptimeret permanentmagnetdrivlinje. De øger også inverterstrømmen for en given akseleffekt.
Disse sammenligninger afhænger af kortet. En induktionsmotor er ikke i sig selv ineffektiv ved høj hastighed, og en permanentmagnetmotor er ikke automatisk bedre overalt. Rotorens konstruktion, elektrisk stål, luftgab, køling, koblingsstrategi, gearudveksling og køretøjets driftscyklus bestemmer resultatet.
Præcis styring afhænger også af estimering af rotorens temperatur og parametre, fordi burets modstand ændrer sig, når rotoren bliver varm. Styringen skal fastholde stabil flux og stabilt moment uden direkte elektrisk adgang til rotoren.
Sådan bruger producenter induktionsmotorer
En induktionsmotor kan være den primære drivmotor eller en boostmotor på en anden aksel. Audis PPE-drivsystem er et tydeligt eksempel på en blandet motorløsning: En permanentmagnet-synkronmotor står for den primære drift af bagakslen, mens en induktionsmotor foran aktiveres, når der er behov for ekstra ydelse eller vejgreb. Når den er inaktiv, kan frontmotoren rotere med lav modstand.
Denne opbygning er et systemvalg, ikke en universel regel. Et køretøjs reelle virkningsgrad afhænger af, hvor ofte hver aksel arbejder, om der er monteret en kobling, tabene i gear og dæk, og hvordan styresoftwaren vælger driftspunkter.
Tilbage til Electric Motors and Drive Units.