Sähköisesti magnetoidut synkronimoottorit
Sähköisesti magnetoitu synkronimoottori (EESM) korvaa roottorin kestomagneetit sähkömagneetilla, jonka kenttää voidaan säätää ajoneuvon liikkuessa. Sitä kutsutaan myös käämityllä kentällä varustetuksi synkronimoottoriksi (WFSM), käämittyroottoriseksi synkronimoottoriksi (WRSM) tai virtamagnetoiduksi synkronimoottoriksi.
Toimintaperiaate
Ajoinvertteri syöttää staattoriin hallittua kolmivaihevirtaa kuten muissakin AC-ajomoottoreissa. Erillinen magnetointipiiri syöttää tasavirtaa roottorin käämeihin. Tämä DC luo magneettinavat, jotka lukittuvat staattorin pyörivään kenttään, joten roottori pyörii sen kanssa tahdissa.
Perinteisessä autorakenteessa paikallaan olevat harjat koskettavat pyörivän akselin liukurenkaita ja välittävät magnetointivirran. Harjayksikkö on kompakti ja suljettu voimansiirtoyksikön sisään; se ei ole harjallisen DC-ajomoottorin kommutaattori. Induktiiviseen, kapasitiiviseen tai muuntajamaiseen tehonsiirtoon perustuvat harjattomat magnetointilaitteet ovat toinen rakennevaihtoehto, mutta ne lisäävät osia ja ohjausvaatimuksia.
Roottorikenttä luodaan DC-magnetoinnilla, ei lisäämällä ulkoista vastusta käämittyyn induktioroottoriin. Nopeutta ja vääntömomenttia ohjataan staattorivirralla, sähköisellä taajuudella, virtakulmalla ja roottorin kenttävirralla.
Säädettävä magneettikenttä
Kestomagneetit tuottavat olennaisesti kiinteän roottorivuon. EESM antaa ohjaukselle uuden vapausasteen: magnetointivirran.
Suurella vääntömomentilla ohjaus voi vahvistaa roottorikenttää lämpö-, invertteri- ja magneettirajojen puitteissa. Pienellä kuormalla magnetointia voidaan vähentää, jotta vuota ei ylläpidetä enempää kuin toimintapiste tarvitsee. Suurella nopeudella kenttää voidaan heikentää suoraan ja pienentää vastasähkömotorista voimaa ilman täydellistä riippuvuutta vastakkaisesta staattorivirrasta.
Joustavuus voi laajentaa tehokasta käyttöaluetta ja yksinkertaistaa kentänheikennystä suurella nopeudella. Paras virtayhdistelmä on silti järjestelmäoptimointi: Staattorin kuparihäviöt, roottorin magnetointihäviöt, invertterihäviöt, jännite, vääntömomentti, nopeus ja lämpötila on tarkasteltava yhdessä.
Miksi valmistajat valitsevat sen
Roottori ei tarvitse kestomagneetteja, joten rakenteessa voidaan välttää harvinaiset maametallit, joita käytetään yleisesti suuren tehotiheyden PMSM-moottoreissa. Tämä muuttaa altistumista magneettien hinnoille ja jalostusketjuille, vaikka koko moottori käyttää edelleen huomattavan määrän kuparia ja sähköterästä.
Säädettävä vuo on hyödyllinen laajalla nopeusalueella. Kun akseli ei tuota vääntömomenttia, kenttävirtaa voidaan vähentää tai se voidaan poistaa, mikä rajoittaa magneettisesti syntyviä häviöitä. Vikatilanteessa ohjausjärjestelmä voi myös poistaa roottorin magnetoinnin, vaikka varastoitu magneettienergia ja indusoitunut jännite on edelleen hallittava turvallisesti.
Arkkitehtuuri voi tarjota suuren tehon ja vakaan toiminnan suurella nopeudella. Sen etu ei ole ”ilmainen hyötysuhde”: Roottorin magnetointiin käytetty energia kuuluu häviölaskelmaan.
Tekniset kustannukset
Roottorin magnetointi tuottaa I²R-kuparihäviöitä pyörivässä osassa. Lämmön on kuljettava roottorin, akselin, ilmavälin tai sisäisen jäähdytysnestereitin kautta, ja magnetointisyöttö kuluttaa tehoa, jota kestomagneetti ei tarvitse.
Harjat ja liukurenkaat tuovat kulumispintoja, hiukkasten hallinnan, kosketusvastuksen ja uuden mahdollisen vikaantumistavan. Autojärjestelmät suunnitellaan suljetuiksi, pitkäikäisiksi kokonaisuuksiksi eikä säännöllisesti huollettaviksi teollisuusliukurenkaiksi, joten yleistä huoltoaikataulua ei voi olettaa. Kestävyys riippuu harjamateriaalista, virrantiheydestä, akselin nopeudesta, tiivistyksestä, jäähdytyksestä, tärinästä ja valmistajan suunnittelutavoitteesta.
Harjaton magnetointi poistaa liukuvan sähkökosketuksen, mutta lisää pyörivän muuntajan, kapasitiivisen kytkimen tai muun kentänteholaitteiston sekä tasasuuntaajan ja ohjauksen. Se siirtää kompromissia sen poistamisen sijaan.
Tehotiheys ja kustannukset riippuvat myös magnetointiyksiköstä, roottorikäämin tilasta, jäähdytyksestä ja invertterin mitoituksesta. Hyvin suunniteltu EESM voi kilpailla vahvasti kestomagneetti- ja induktiokäyttöjen kanssa, mutta mikään yksittäinen topologia ei voita kaikissa toimintapisteissä.
Tuotantoesimerkkejä
BMW:n viidennen sukupolven eDrive käyttää virtamagnetoituja synkronimoottoreita esimerkiksi i4-, i5-, i7- ja iX-ajoneuvoissa. BMW:n mukaan roottorikenttä tuotetaan sähköisesti, jolloin näistä moottoreista voidaan jättää pois harvinaisten maametallien magneettimateriaalit.
Myös Renault kuvaa EESM-roottoritekniikkaansa magneetittomaksi vaihtoehdoksi ja on kehittänyt sitä useisiin sähköisiin voimansiirtoihin. Valmistajien toteutuksia ei pidä olettaa samanlaisiksi: Käämitys, harjayksikkö, jäähdytys, ohjaus, jännite ja integrointi ovat edelleen valmistajakohtaisia suunnitteluvalintoja.
EESM-ajoneuvoja verrattaessa hyödyllisiä tietoja ovat huippu- ja jatkuva teho, enimmäisnopeus, moottorin ja invertterin yhdistetty hyötysuhdekartta, magnetointimenetelmä, jäähdytys ja se, sisältääkö ilmoitettu hyötysuhde roottorikentän tehon.
Palaa sivulle Electric Motors and Drive Units.