Budowa i uzwojenia silników pojazdów elektrycznych
Topologia opisuje powstawanie momentu, ale konstrukcja decyduje, czy idea stanie się wydajną, cichą i trwałą maszyną trakcyjną. Żłobki, uzwojenia, blachy, bariery, magnesy, szczeliny, izolacja, połączenia, łożyska i chłodzenie muszą działać jako jeden układ elektromagnetyczny i mechaniczny.
Stojan
Stojan zawiera laminowany rdzeń stalowy i izolowane przewodniki w uzwojeniach faz. Zęby prowadzą strumień przez szczelinę, żłobki mieszczą miedź, a jarzmo zamyka drogę magnetyczną i przenosi obciążenia.
Rdzeń powstaje z cienkich blach elektrotechnicznych, nie z litego cylindra. Izolowane warstwy przerywają prądy wirowe, które przy zmianach pola tworzyłyby ciepło. Cieńsze blachy zmniejszają straty wysokiej częstotliwości, ale kosztują więcej i wymagają dokładnego układania, łączenia i mocowania.
Kształt żłobka równoważy potrzeby. Więcej miedzi zmniejsza opór, lecz zostawia mniej żelaza dla strumienia. Wąski otwór poprawia pole i niektóre harmoniczne, ale utrudnia montaż. Nasycenie zębów, strumień rozproszenia, dostęp chłodzenia, izolacja i produkcja określają geometrię.
Uzwojenia rozłożone i skupione
Uzwojenie rozłożone rozprowadza cewkę fazy w wielu żłobkach. Może dać gładkie pole z małą liczbą harmonicznych, ale długie czoła dodają opór i masę bez użytecznego momentu.
Uzwojenie skupione otacza jeden lub kilka zębów. Krótkie czoła i modułowa produkcja są atrakcyjne, lecz siła magnetomotoryczna może mieć silniejsze harmoniczne przestrzenne. Bez koordynacji żłobków, biegunów i cewek rosną straty, pulsacje, drgania i hałas.
„Rozłożone” i „skupione” nie opisują kształtu przewodnika. Obie rodziny stosują różne druty i połączenia.
Linka, hairpin i przewodniki formowane
Tradycyjne uzwojenia używają okrągłego emaliowanego drutu ze szpuli. Kilka cienkich żył można nawijać razem, co ułatwia wypełnienie i ogranicza wysokoczęstotliwościowe przesunięcie prądu.
Hairpin używa wstępnie uformowanych prostokątnych prętów, wsuwanych i spawanych w ciągły obwód. Kształt daje wysokie wypełnienie, krótkie czoła, powtarzalną automatyzację i dobry kontakt cieplny. Porsche podaje prawie 70% miedzi wobec około 50% w przytoczonej konstrukcji konwencjonalnej.
Wysokie wypełnienie nie mierzy całej sprawności. Przy wysokiej częstotliwości efekty naskórkowy i zbliżeniowy nierówno rozkładają AC w dużym przewodniku; opór AC może znacznie przekraczać DC. Pomagają cieńsze przewodniki, drogi równoległe, transpozycja, segmenty, układ i przełączanie. Każdy przewodnik i spaw dodaje wymagania izolacji, jakości i produkcji.
I-pin i inne pręty zmieniają montaż i łączenie, ale zachowują kompromis: gęsta, automatyzowalna miedź kontra straty AC i złożone złącza.
Kombinacje żłobków i biegunów
Prędkość mechaniczna nie jest częstotliwością elektryczną. Pole kończy cykl przy przejściu każdej pary biegunów; częstotliwość rośnie z prędkością i liczbą par.
Więcej biegunów może skrócić drogi i zmienić czoła, gęstość momentu i proporcje. Zwiększa też częstotliwość przy tej samej prędkości, wymagania przełączania i straty zależne. Liczba żłobków wpływa na współczynnik uzwojenia, pulsacje, moment zaczepowy, siłę promieniową i harmoniczne wirnika.
Nie ma uniwersalnej kombinacji. Optimum zależy od topologii, prędkości maksymalnej, częstotliwości falownika, momentu, akustyki, procesu i tolerancji.
Konstrukcja wirnika
Wirnik indukcyjny używa prętów połączonych pierścieniami w klatkę w laminowanym rdzeniu. Materiał, kształt, opór pierścienia, skos i chłodzenie określają rozruch, poślizg, straty i harmoniczne.
Wirnik z magnesami powierzchniowymi umieszcza je blisko średnicy zewnętrznej. Droga jest krótka, ale mocowanie przeciw sile odśrodkowej musi być niezawodne. Tuleje, taśmy, kleje, nabiegunniki lub kombinacje muszą wytrzymać prędkość, cykle i usterki.
Wirnik z magnesami wewnętrznymi umieszcza je za stalowymi mostkami i barierami. Bariery tworzą anizotropię i moment reluktancyjny, mostki utrzymują segmenty. Cienkie mostki poprawiają elektromagnetykę, lecz są obciążone i mogą się nasycać. Segmentacja zmniejsza straty wirowe, ale utrudnia montaż.
Wirniki wzbudzane elektrycznie dodają uzwojenia miedziane i przesył energii. Synchroniczne lub przełączalne wirniki reluktancyjne unikają uzwojeń i magnesów, ale bariery lub bieguny potrzebują wytrzymałości.
Szczelina, wyważenie i prędkość maksymalna
Szczelina jest elektromagnetycznie kosztowna, bo powietrze ma znacznie mniejszą przenikalność niż stal. Mała szczelina poprawia sprzężenie i zmniejsza prąd magnesujący, lecz gorzej toleruje ugięcie, luz łożysk, rozszerzalność, zmienność i obciążenia zderzeniowe.
Szybkie wirniki doznają dużych naprężeń odśrodkowych. Blachy, magnesy, mostki, tuleje, wały i złącza analizuje się w pracy, nadprędkości i awarii. Wyważenie musi być stabilne z temperaturą i prędkością: mała mimośrodowość tworzy obciążenie, drgania, hałas i nierówne przyciąganie.
Prędkość maksymalna łączy naprężenie wirnika, prędkość łożysk, napięcie falownika, częstotliwość, straty żelaza, smarowanie i sterowanie; nie chodzi tylko o uniknięcie rozerwania.
Izolacja i drogi cieplne
Przewodniki wymagają izolacji między zwojami, fazami i rdzeniem. Wykładziny, emalia, żywica, elementy formowane, zaciski i spawy muszą wytrzymać przepięcia, drgania, ciecz lub olej i cykle cieplne.
Ciepło przechodzi przez wiele granic. Kontakt miedź-izolacja, impregnacja, rdzeń, pasowanie obudowy, zwilżenie olejem i kanały mogą znaczyć tyle co przewodność. Pustki lub nierówne złącza stają się gorącymi punktami ograniczającymi moc ciągłą.
Bezpośredni olej dociera do uzwojeń lub wirnika chłodzonych przez płaszcz tylko pośrednio. Dodaje straty pompowania i wentylacji, uszczelnienie, zgodność, filtrację i wymagania izolacji elektrycznej.
Jakość produkcji jest częścią projektu
Prototyp z wybranych części nie dowodzi procesu seryjnego. Zadziory, wyrównanie, położenie magnesów, spawy, żywica, zmienność szczeliny, wyważenie, czujniki i czystość wpływają na straty, hałas i niezawodność.
Projektanci optymalizują więc statystyczną zdolność procesu obok symulacji nominalnej. Rezygnacja z małej przewagi teoretycznej może dać lepsze auta, jeśli montaż, kontrola, chłodzenie i utrzymanie tolerancji są łatwiejsze.
Kontynuuj serię o silnikach
Wróć do Electric Motors and Drive Units lub porównaj te wybory w induction motors i permanent-magnet synchronous motors.