Silniki elektryczne i elektryczne zespoły napędowe

Silnik trakcyjny pojazdu elektrycznego jest częścią ściśle zintegrowanego układu, w którym akumulator, falownik, silnik, obieg chłodzenia, przekładnia redukcyjna, mechanizm różnicowy, opony i oprogramowanie sterujące wspólnie decydują o sprawności zamiany energii elektrycznej na ruch.

Ten artykuł główny rozdziela trzy zagadnienia, które często są ze sobą mylone: w jaki sposób różne rodziny silników wytwarzają moment obrotowy, jak zbudowany i sterowany jest zespół napędowy oraz jak cały pojazd wykorzystuje i mierzy ten sprzęt.

Droga energii od akumulatora do jezdni

Akumulator wysokiego napięcia dostarcza prąd stały. Trakcyjny Traction inverters przełącza ten prąd DC, tworząc sterowany prąd wielofazowy — zazwyczaj trójfazowy AC — którego amplituda, częstotliwość i faza wyznaczają moment obrotowy i prędkość silnika. Motor control and efficiency maps przekształca żądanie kierowcy i ograniczenia pojazdu w polecenia prądowe realizowane przez falownik.

Wewnątrz silnika prąd w nieruchomych uzwojeniach tworzy wirujące pole magnetyczne. Wirnik podąża za tym polem lub z nim oddziałuje i obraca wał wyjściowy. Wybory dotyczące stojana, wirnika, uzwojeń, pakietów blach, izolacji, szczeliny powietrznej, łożysk i tolerancji produkcyjnych omówiono w EV motor construction and windings.

Stałe przełożenie redukcyjne zazwyczaj zamienia prędkość obrotową silnika na moment na kołach. Mechanizm różnicowy pozwala napędzanym kołom obracać się z różnymi prędkościami w zakręcie. W nowoczesnym Integrated electric drive units silnik, falownik, przekładnia redukcyjna, mechanizm różnicowy, układ smarowania i kanały chłodzące mogą znajdować się we wspólnej, kompaktowej obudowie.

Jak silnik trakcyjny AC wytwarza moment obrotowy

Większość silników trakcyjnych pojazdów elektrycznych ma dwie główne części elektromagnetyczne: nieruchomy stojan i wirnik obracający się po drugiej stronie wąskiej szczeliny powietrznej. Trzy fazy stojana są kolejno zasilane i tworzą pole magnetyczne wirujące wokół szczeliny powietrznej.

Rodzinę silnika określa przede wszystkim sposób, w jaki wirnik uzyskuje swoje pole magnetyczne, oraz ruch tego pola względem pola stojana:

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi ma magnesy wewnątrz wirnika lub na jego powierzchni.
Silnik synchroniczny ze wzbudzeniem elektrycznym tworzy pole wirnika za pomocą uzwojenia zasilanego prądem stałym.
Silnik indukcyjny indukuje prąd w przewodzącej klatce wirnika; aby powstał moment obrotowy, wirnik musi obracać się z prędkością inną niż pole stojana.
Silnik reluktancyjny wytwarza moment obrotowy, ponieważ jego wirnik łatwiej magnesuje się w jednych kierunkach niż w innych.

Określenie „synchroniczny” opisuje prędkość wirnika względem wirującego pola stojana. Nie oznacza mechanicznego połączenia wirnika ze stojanem. Łożyska podtrzymują wirnik, a szczelina powietrzna fizycznie oddziela części elektromagnetyczne.

Moment obrotowy, prędkość i moc

Moment obrotowy to siła skręcająca działająca na wał. Moc określa tempo wykonywania pracy przez silnik:

moc = moment obrotowy × prędkość obrotowa

Ta zależność wyjaśnia charakterystyczną krzywą momentu obrotowego pojazdu elektrycznego. Od postoju do prędkości bazowej silnika falownik może zazwyczaj dostarczać wystarczający prąd dla szerokiego zakresu stałego momentu. Powyżej prędkości bazowej głównymi ograniczeniami stają się napięcie i siła przeciwelektromotoryczna. Sterownik osłabia skuteczne pole magnetyczne, aby silnik mógł obracać się szybciej, podczas gdy dostępny moment maleje. W części tego zakresu wyższych prędkości moc może pozostawać w przybliżeniu stała.

Dokładną krzywą ograniczają moc akumulatora, napięcie i prąd falownika, temperatura silnika, prędkość wirnika oraz ograniczenia mechaniczne. Podana moc szczytowa może być dostępna tylko przez kilka sekund. Moc ciągła to moc, którą kompletny zespół napędowy może utrzymać w określonych warunkach chłodzenia i otoczenia. EV motor testing and ratings wyjaśnia, dlaczego razem z wartością mocy trzeba podać granicę pomiaru i czas trwania testu.

Podczas hamowania rekuperacyjnego ta sama maszyna pracuje jako generator. Moment z kół napędza wirnik, falownik steruje prądem generatora, a energia elektryczna wraca do akumulatora, jeśli pozwalają na to temperatura i stan naładowania akumulatora, przyczepność oraz ograniczenia systemu.

Główne rodziny silników w pojazdach elektrycznych

Permanent-magnet synchronous motors są powszechne, ponieważ mogą łączyć dużą gęstość mocy z wysoką sprawnością w użytecznej części mapy pracy. Konstrukcje z magnesami wewnętrznymi mogą wytwarzać zarówno moment od magnesów trwałych, jak i moment reluktancyjny. Ich stały strumień wirnika powoduje także wyzwania konstrukcyjne związane z osłabianiem pola, napięciem w razie awarii, dostępnością materiałów i zarządzaniem cieplnym.

Induction (asynchronous) motors nie mają magnesów wirnika ani styków elektrycznych. Ich pole wirnika istnieje tylko wtedy, gdy wzbudzenie stojana indukuje prąd w klatce. Są mechanicznie wytrzymałe i po odłączeniu zasilania mogą wykazywać małe opory elektromagnetyczne, dlatego sprawdzają się zarówno jako główne silniki trakcyjne, jak i silniki dodatkowej osi. Prąd wirnika powoduje jednak dodatkowe nagrzewanie i straty.

Electrically excited synchronous motors zastępują magnesy trwałe sterowanym elektromagnesem w wirniku. Zwiększanie lub zmniejszanie prądu wzbudzenia daje inżynierom dodatkową zmienną sterującą, między innymi umożliwiając skuteczne osłabianie pola przy dużej prędkości. Ceną jest układ wzbudzenia, straty miedzi w wirniku oraz — gdy stosuje się szczotki i pierścienie ślizgowe — dodatkowe wymagania mechaniczne i trwałościowe.

Reluctance motors obejmują bezmagnesowe maszyny synchroniczno-reluktancyjne i maszyny reluktancyjne przełączalne, a także konstrukcje wspomagane magnesami trwałymi. Wykorzystują kierunkowe różnice reluktancji magnetycznej wirnika. Proste wirniki bez magnesów są możliwe, ale gęstość momentu, wymagania wobec falownika, pulsacje momentu, akustykę i sterowanie trzeba oceniać dla całego układu.

Axial-flux permanent-magnet motors opisują inną geometrię magnetyczną, a nie odrębne źródło wzbudzenia wirnika. Większość samochodowych silników o strumieniu osiowym to maszyny synchroniczne z magnesami trwałymi, w których główny strumień przecina szczelinę powietrzną równolegle do wału. Duży promień czynny i niewielka długość osiowa mogą zapewnić wysoką gęstość momentu, lecz chłodzenie, kontrola szczeliny powietrznej, siły osiowe i produkcja masowa są wymagające.

Dlaczego żaden typ silnika nie jest po prostu najlepszy

Silnik nie ma jednej wartości sprawności. Ma mapę sprawności obejmującą prędkość i moment, a pojazd wykorzystuje jej różne obszary podczas jazdy miejskiej i autostradowej, podjazdów, holowania oraz mocnego przyspieszania. Falownik i przekładnia mają własne mapy, dlatego inżynierowie optymalizują cały zespół napędowy pod kątem przewidywanego cyklu pracy.

Główne straty również zmieniają się wraz z punktem pracy:

rezystancja uzwojeń powoduje straty miedzi, które silnie rosną wraz z prądem;
zmienne pola magnetyczne powodują straty od histerezy i prądów wirowych w stali elektrotechnicznej oraz innych elementach przewodzących;
wirniki indukcyjne i wzbudzane elektrycznie dodają straty miedzi w wirniku;
falownik ma straty przewodzenia i przełączania;
łożyska, uszczelnienia, koła zębate, pompy oleju i mieszanie oleju powodują straty mechaniczne.

Wybór silnika równoważy więc sprawność w użytecznym obszarze mapy, gęstość mocy i momentu, koszt i dostępność materiałów, parametry falownika, zapotrzebowanie na chłodzenie, prędkość maksymalną, akustykę, sterowalność, uzysk produkcyjny, trwałość i łatwość serwisowania. Silnik nieco mniej sprawny w najlepszym punkcie może dać sprawniejszy pojazd, jeśli jego użyteczny obszar wysokiej sprawności lepiej odpowiada obciążeniu podczas jazdy.

Jeden silnik czy kilka

Jeden silnik może napędzać przednią lub tylną oś przez mechanizm różnicowy. Dwa silniki zazwyczaj dostarczają niezależnie sterowany moment na przednią i tylną oś, umożliwiając napęd na wszystkie koła bez mechanicznego wału napędowego. Producenci mogą użyć tego samego typu silnika na obu osiach lub łączyć typy, aby wykorzystać różne właściwości sprawności i swobodnego toczenia.

Układy z trzema silnikami zwykle mają jeden silnik na jednej osi i dwa niezależnie sterowane silniki na drugiej. Układy czterosilnikowe mogą wykorzystywać po jednym silniku na każde koło albo dwa silniki na oś połączone przez oddzielne tory przekładni. Niezależne silniki tworzą sprzętową możliwość szybkiego wektorowania momentu, ale rzeczywista zdolność zależy od czujników, wydajności falownika, przyczepności opon, ograniczeń cieplnych, przełożeń i oprogramowania sterującego.

Dodatkowe silniki nie zapewniają osiągów bez kosztów. Zwiększają masę, koszt i obciążenie układu chłodzenia, a także liczbę falowników, przewodów i łożysk oraz straty pasożytnicze. Sprzęgła odłączające i pozbawione zasilania silniki indukcyjne mogą zmniejszyć wpływ dodatkowej osi na zużycie energii podczas stałej jazdy. Multi-motor EV architectures szczegółowo omawia architektury z jednym, dwoma, trzema i czterema silnikami.

Jak czytać dane silników elektrycznych

Przydatne dane silnika powinny odpowiadać na więcej pytań niż „ile kilowatów?”. Sprawdź, czy liczba oznacza wartość szczytową czy ciągłą, czy dotyczy jednego silnika, jednej osi czy całego pojazdu oraz czy podany moment zmierzono na wale silnika, czy na kołach po redukcji.

Najbardziej miarodajne dane techniczne obejmują:

topologię i położenie silnika;
moc szczytową i ciągłą w podanych warunkach;
szczytowy moment i maksymalną prędkość silnika;
napięcie magistrali DC, prąd falownika i typ półprzewodnika;
przełożenie i sprawność układu napędowego;
mapy sprawności silnika i falownika podczas napędzania i rekuperacji;
metodę chłodzenia i ograniczenia cieplne;
możliwość odłączenia zasilania lub mechanicznego rozłączenia dodatkowych silników;
granicę pomiaru, temperatury i procedurę testową.

Te dane wyjaśniają, dlaczego dwa pojazdy o podobnej mocy szczytowej mogą różnić się zużyciem energii na autostradzie, powtarzalnym przyspieszaniem, zdolnością holowania, hałasem i możliwością długotrwałej jazdy z dużą prędkością.

Czytaj serię w kolejności

Zacznij od rodzin silników:

Następnie przejdź wzdłuż łańcucha sprzętu i sterowania energią:

Na końcu poznaj architekturę pojazdu i dowody inżynierskie:

Karty nawigacyjne zachowują tę samą kolejność.