Silniki indukcyjne (asynchroniczne) w pojazdach elektrycznych
Silnik indukcyjny — nazywany także silnikiem asynchronicznym — wytwarza pole magnetyczne wirnika bez magnesów trwałych i bez oddzielnego zasilania wirnika. Prosty wirnik klatkowy, regulowane pole i możliwość pracy z dużą prędkością obrotową czynią go trwałym rozwiązaniem dla napędu elektrycznego.
Jak indukcja wytwarza moment obrotowy
Falownik zasila trzy uzwojenia fazowe stojana prądami przesuniętymi w czasie. Razem prądy te tworzą pole magnetyczne wirujące wokół szczeliny powietrznej. Prędkość obrotową pola określa częstotliwość elektryczna i liczba biegunów magnetycznych silnika.
Typowym wirnikiem silnika trakcyjnego jest klatka: przewodzące pręty aluminiowe lub miedziane biegną wzdłuż laminowanego rdzenia stalowego i są zwarte na końcach pierścieniami. Wirujące pole stojana przecina te pręty i indukuje w nich prąd. Prąd tworzy pole magnetyczne wirnika, a oddziaływanie obu pól wytwarza moment obrotowy.
Aby wystąpiła indukcja, wirnik musi obracać się z prędkością inną niż pole stojana. Różnicę tę nazywa się poślizgiem. W trybie silnikowym wirnik zwykle pozostaje za wirującym polem; w trybie generatorowym, w tym podczas hamowania rekuperacyjnego, sterowana zależność odwraca się, aby moc mechaniczna stała się mocą elektryczną.
Poślizg to cecha, a nie usterka
Poślizg jest często wyrażany jako procent prędkości synchronicznej. Zmienia się wraz z zapotrzebowaniem na moment i nie jest tym samym co poślizg kół. Przy małym obciążeniu wymagany poślizg elektromagnetyczny może być niewielki. Większy moment na ogół wymaga większego prądu wirnika i większej sterowanej różnicy prędkości.
Falownik robi znacznie więcej niż podaje stałe zasilanie AC. Sterowanie wektorowe szacuje lub mierzy strumień wirnika i oddziela polecenia prądowe budujące strumień od tych, które wytwarzają moment. Ciągła zmiana prądu fazowego i częstotliwości pozwala sterownikowi wytwarzać płynny moment od postoju przez zakres osłabiania pola.
Praca trójfazowa tworzy równomiernie wirujące pole, ale nie eliminuje potrzeby przekładni redukcyjnej. Większość zespołów napędowych pojazdów elektrycznych z silnikiem indukcyjnym nadal zmniejsza wysoką prędkość wału silnika przed przekazaniem momentu na koła.
Budowa wirnika i ciepło
Silniki indukcyjne w elektrycznych samochodach osobowych zwykle wykorzystują wirnik klatkowy, ponieważ nie ma on szczotek, pierścieni ślizgowych, magnesów ani izolowanych uzwojeń wirnika. Istnieją maszyny indukcyjne z wirnikiem uzwojonym, ale nie są typową architekturą nowoczesnego zespołu trakcyjnego elektrycznego samochodu osobowego i nie należy ich mylić z silnikiem synchronicznym ze wzbudzeniem elektrycznym.
Brak magnesów w wirniku upraszcza zaopatrzenie materiałowe, lecz indukcja nie oznacza bezstratnego magnesowania. Prąd stojana musi wytworzyć pole w szczelinie powietrznej i przekazać moc do wirnika. Rezystancja elektryczna klatki zamienia część indukowanego prądu wirnika w ciepło. Przy dużym obciążeniu odprowadzanie tego ciepła z obracającego się elementu może być jednym z głównych wyzwań cieplnych zespołu napędowego.
Zalety w pojeździe elektrycznym
Wirnik indukcyjny jest mechanicznie prosty i może wytrzymać dużą prędkość obrotową, jeśli klatkę, pakiety blach, wał i łożyska zaprojektowano pod kątem powstających naprężeń. Nie ma ryzyka rozmagnesowania magnesów trwałych, a wirnik nie zawiera magnesów z metali ziem rzadkich.
Falownik może zmniejszyć strumień maszyny, gdy potrzeba niewielkiego momentu. Po odłączeniu zasilania silnik indukcyjny dodatkowej osi może obracać się z małymi oporami elektromagnetycznymi, ponieważ nie ma stałego pola wirnika. Pozostają straty w łożyskach, uszczelnieniach i przekładniach, straty od mieszania oleju oraz szczątkowe straty elektromagnetyczne, dlatego określenia „bez oporów” nie należy rozumieć dosłownie.
Silniki indukcyjne mogą również przyjmować krótkotrwałe przeciążenia, jeśli falownik, akumulator i układ chłodzenia mają dostateczny zapas. Jest to przydatne podczas krótkich przyspieszeń, ale powtarzalne ograniczenie wyznacza temperatura — nie słowo „indukcja”.
Ograniczenia i kompromisy konstrukcyjne
Straty miedzi w wirniku oraz prąd magnesujący dostarczany przez stojan mogą w niektórych punktach pracy obniżać sprawność układu i współczynnik mocy względem dobrze zoptymalizowanego napędu z magnesami trwałymi. Zwiększają też prąd falownika przy danej mocy na wale.
Porównania te zależą od mapy. Silnik indukcyjny nie jest z natury nieefektywny przy dużej prędkości, a silnik z magnesami trwałymi nie jest automatycznie lepszy w każdym punkcie. Konstrukcja wirnika, stal elektrotechniczna, szczelina powietrzna, chłodzenie, strategia przełączania, przełożenie i cykl pracy pojazdu decydują o wyniku.
Dokładne sterowanie zależy również od szacowania temperatury i parametrów wirnika, ponieważ rezystancja klatki zmienia się podczas nagrzewania wirnika. Sterownik musi utrzymywać stabilny strumień i moment bez bezpośredniego elektrycznego dostępu do wirnika.
Jak producenci wykorzystują silniki indukcyjne
Silnik indukcyjny może być głównym silnikiem napędowym lub silnikiem wspomagającym na drugiej osi. Układ napędowy PPE Audi jest wyraźnym przykładem połączenia typów silników: silnik synchroniczny z magnesami trwałymi zapewnia główny napęd tylnej osi, a przedni silnik indukcyjny jest zasilany, gdy potrzeba dodatkowych osiągów lub przyczepności. Gdy przedni silnik jest nieaktywny, może obracać się z małymi oporami.
Taki układ jest wyborem systemowym, a nie uniwersalną zasadą. Rzeczywista sprawność pojazdu zależy od tego, jak często pracuje każda oś, czy zastosowano sprzęgło, jakie są straty w przekładniach i oponach oraz jak oprogramowanie sterujące wybiera punkty pracy.
Wróć do Electric Motors and Drive Units.