Induktiomoottorit (epätahtimoottorit) sähköautoissa
Induktiomoottori — jota kutsutaan myös epätahtimoottoriksi — luo roottorin magneettisuuden ilman kestomagneetteja tai roottorin erillistä sähkönsyöttöä. Yksinkertainen oikosulkuroottori, säädettävä kenttä ja kyky suuriin pyörimisnopeuksiin tekevät siitä kestävän vaihtoehdon sähköiseen ajovoimaan.
Miten induktio tuottaa vääntömomenttia
Invertteri syöttää staattorin kolmeen vaihekäämiin ajallisesti siirrettyjä virtoja. Yhdessä virrat luovat ilmavälin ympäri pyörivän magneettikentän. Kentän pyörimisnopeuden määräävät sähköinen taajuus ja moottorin magneettisten napojen määrä.
Ajomoottorin tavallinen roottori on oikosulkuhäkki: johtavat alumiini- tai kuparisauvat kulkevat laminoidun teräksen suuntaisesti, ja päätyrenkaat oikosulkevat ne toisiinsa. Pyörivä staattorikenttä leikkaa sauvoja ja indusoi niihin virtaa. Virta luo roottorin magneettikentän, ja kahden kentän vuorovaikutus tuottaa vääntömomenttia.
Induktion syntymiseksi roottorin on pyörittävä eri nopeudella kuin staattorikentän. Tätä eroa kutsutaan jättämäksi. Moottorikäytössä roottori tavallisesti jää pyörivästä kentästä; generaattorikäytössä, regeneratiivinen jarrutus mukaan lukien, säädetty suhde kääntyy niin, että mekaaninen teho muuttuu sähkötehoksi.
Jättämä on ominaisuus, ei vika
Jättämä ilmoitetaan usein prosenttiosuutena tahtinopeudesta. Se muuttuu vääntömomentin tarpeen mukaan eikä tarkoita samaa kuin pyörän luisto. Pienellä kuormalla tarvittava sähkömagneettinen jättämä voi olla pieni. Suurempi vääntömomentti edellyttää yleensä enemmän roottorivirtaa ja suurempaa säädettyä nopeuseroa.
Invertteri tekee paljon muutakin kuin syöttää kiinteää vaihtojännitettä. Vektorisäätö arvioi tai mittaa roottorivuon ja erottaa vuon muodostavat virtakomennot vääntömomenttia tuottavista komennoista. Vaihevirtaa ja taajuutta jatkuvasti muuttamalla ohjaus voi tuottaa tasaista vääntömomenttia pysähdyksistä kentänheikennysalueelle asti.
Kolmivaihekäyttö luo tasaisesti pyörivän kentän, mutta ei poista alennusvaihteiden tarvetta. Useimmat induktiomoottorilla varustetut sähköautojen voimansiirtoyksiköt alentavat edelleen moottoriakselin suurta pyörimisnopeutta ennen vääntömomentin välittämistä pyörille.
Roottorin rakenne ja lämpö
Sähköhenkilöautojen induktiomoottoreissa käytetään tavallisesti oikosulkuroottoria, koska siinä ei ole harjoja, liukurenkaita, magneetteja eikä eristettyjä roottorikäämejä. Käämittyroottorisia induktiokoneita on olemassa, mutta ne eivät ole modernin sähköhenkilöauton ajomoottorin tavallinen rakenne eikä niitä pidä sekoittaa sähköisesti magnetoituun synkronimoottoriin.
Roottorimagneettien puuttuminen yksinkertaistaa materiaalien hankintaa, mutta induktio ei tarkoita häviötöntä magnetointia. Staattorivirran on muodostettava ilmavälin kenttä ja siirrettävä tehoa roottoriin. Häkin sähköinen resistanssi muuttaa osan indusoidusta roottorivirrasta lämmöksi. Suurella kuormalla lämmön poistaminen pyörivästä osasta voi olla yksi voimansiirtoyksikön merkittävimmistä lämpöhaasteista.
Vahvuudet sähköautossa
Induktioroottori on mekaanisesti yksinkertainen ja voi kestää suuria pyörimisnopeuksia, kun häkki, levypaketit, akseli ja laakerit on suunniteltu syntyville rasituksille. Kestomagneettien demagnetoitumisen vaaraa ei ole, eikä roottori sisällä harvinaisista maametalleista valmistettuja magneetteja.
Invertteri voi vähentää koneen vuota, kun vääntömomenttia tarvitaan vähän. Kun toissijaisen akselin induktiomoottori tehdään virrattomaksi, se voi pyöriä pienellä sähkömagneettisella vastuksella, koska siinä ei ole pysyvää roottorikenttää. Laakereiden, tiivisteiden ja hammaspyörien, öljyn sekoittumisen sekä jäljelle jäävien sähkömagneettisten häviöiden aiheuttamat vastukset säilyvät, joten ilmaisua ”ei vastusta” ei pidä tulkita kirjaimellisesti.
Induktiomoottorit voivat myös kestää lyhyitä ylikuormituksia, kun invertterissä, akussa ja jäähdytysjärjestelmässä on riittävästi varaa. Se on hyödyllistä lyhyissä kiihdytyksissä, mutta toistettavan rajan määrää lämpötila — ei sana ”induktio”.
Rajoitukset ja suunnittelun kompromissit
Roottorin kuparihäviöt ja staattorin tuottama magnetointivirta voivat joissakin toimintapisteissä pienentää järjestelmän hyötysuhdetta ja tehokerrointa hyvin optimoituun kestomagneettikäyttöön verrattuna. Ne kasvattavat myös invertterivirtaa tietyllä akseliteholla.
Vertailut riippuvat kartasta. Induktiomoottori ei ole luonnostaan tehoton suurella nopeudella, eikä kestomagneettimoottori ole automaattisesti parempi kaikkialla. Roottorin rakenne, sähköteräs, ilmaväli, jäähdytys, kytkentästrategia, välityssuhde ja ajoneuvon käyttöjakso ratkaisevat tuloksen.
Tarkka ohjaus riippuu myös roottorin lämpötilan ja parametrien arvioinnista, koska häkin resistanssi muuttuu roottorin lämmetessä. Ohjauksen on pidettävä vuo ja vääntömomentti vakaina ilman suoraa sähköistä yhteyttä roottoriin.
Miten valmistajat käyttävät induktiomoottoreita
Induktiomoottori voi olla pääasiallinen ajomoottori tai toisen akselin lisätehomoottori. Audin PPE-voimansiirtojärjestelmä on selkeä esimerkki moottorityyppien yhdistelmästä: kestomagneettisynkronimoottori toimii ensisijaisena taka-akselin voimanlähteenä, ja etuakselin induktiomoottori energisoidaan, kun tarvitaan lisää suorituskykyä tai pitoa. Poissa käytöstä etumoottori voi pyöriä pienellä vastuksella.
Tämä järjestely on järjestelmävalinta, ei yleispätevä sääntö. Ajoneuvon todellinen hyötysuhde riippuu siitä, kuinka usein kumpikin akseli toimii, onko järjestelmässä kytkin, millaisia häviöitä vaihteissa ja renkaissa on sekä miten ohjausohjelmisto valitsee toimintapisteet.
Palaa sivulle Electric Motors and Drive Units.