Silniki reluktancyjne w pojazdach elektrycznych

Silniki reluktancyjne wytwarzają moment, przyciągając magnetycznie asymetryczny wirnik do położenia, w którym strumień magnetyczny może płynąć najłatwiejszą drogą. Zasada ta obejmuje bezmagnesowe maszyny synchroniczne i przełączalne reluktancyjne oraz konstrukcje wspomagane magnesami trwałymi.

Reluktancja jest właściwością magnetyczną

Reluktancja magnetyczna to opór obwodu wobec strumienia magnetycznego. Droga przez wysokoprzenikalną stal elektrotechniczną ma mniejszą reluktancję niż droga przez powietrze lub barierę strumienia. Gdy właściwości wirnika zależą od kierunku, zasilone pole stojana tworzy moment ustawiający oś małej reluktancji wirnika zgodnie z polem.

Inżynierowie opisują wirnik dwiema prostopadłymi osiami magnetycznymi. W wirniku wydatnobiegunowym oś bezpośrednia d i poprzeczna q mają różne indukcyjności. Różnica pozwala prądowi stojana wytwarzać moment reluktancyjny. Magnesy trwałe nie są konieczne, ale mogą łączyć moment magnetyczny z reluktancyjnym.

Reluktancja nie jest więc jedną etykietą produktu, lecz mechanizmem momentu mającym znaczny udział także w wielu wewnętrznych permanent-magnet synchronous motors.

Synchroniczne silniki reluktancyjne

Silnik synchroniczny reluktancyjny, czyli SynRM, wykorzystuje laminowany stalowy wirnik z barierami strumienia lub inną geometrią dającą dużą anizotropię magnetyczną. Falownik tworzy wirujące pole stojana, za którym wirnik podąża z prędkością synchroniczną.

Wirnik może nie mieć magnesów, uzwojeń, pierścieni ślizgowych ani prętów klatkowych. Może to obniżyć koszt materiału i temperaturę wirnika oraz umożliwić wysokie obroty. Bez strumienia magnesów trwałych niezasilony silnik nie wytwarza też takiej samej siły przeciwelektromotorycznej jak maszyna z magnesami.

Moment zależy jednak od możliwej różnicy indukcyjności osi d i q. Bariery strumienia ją zwiększają, ale usuwają stal, komplikują konstrukcję mechaniczną i mogą ograniczać gęstość momentu. Współczynnik mocy i prąd falownika mogą być mniej korzystne niż w dobrej maszynie z magnesami trwałymi.

Synchroniczna reluktancja wspomagana magnesami trwałymi

Taki silnik dodaje stosunkowo mało materiału magnetycznego do wirnika wydatnobiegunowego. Magnesy wnoszą moment, poprawiają współczynnik mocy i poszerzają wydajny zakres, a geometria nadal zapewnia dużą składową reluktancyjną.

Nie ma ostrej granicy fizycznej między tą rodziną a silnikiem synchronicznym z magnesami wewnętrznymi. Podobne wirniki bywają nazywane inaczej, aby podkreślić udział magnesów, reluktancji lub mniejszą ilość metali ziem rzadkich. Liczą się udziały momentu, ilość magnesów i osiągi całego silnika na mapie prędkości i momentu.

Przełączalne silniki reluktancyjne

Przełączalny silnik reluktancyjny, SRM, ma wydatne bieguny stojana i wirnika. Wirnik to zwykle pakiet blach elektrotechnicznych bez uzwojeń i magnesów. Skupione cewki stojana są zasilane kolejno, przyciągając każdy biegun do wyrównania; prąd fazowy trzeba zmniejszyć przed wyrównaniem, jeśli dalszy przepływ wytwarzałby moment hamujący.

Zasada różni się od niemal sinusoidalnego pola wirującego typowych trójfazowych silników trakcyjnych. SRM często stosuje asymetryczny przekształtnik, który niezależnie zasila i rozmagnesowuje fazy. Położenie wirnika i precyzyjne sterowanie czasem prądu są kluczowe dla napędu i rekuperacji.

Prosty wirnik toleruje ciepło i wysokie obroty, a oddzielne elektrycznie fazy mogą zapewnić odporność na awarie. Wyzwaniami są pulsacje momentu, zmienne siły promieniowe, hałas, nieliniowe nasycenie oraz wymagania napięciowo-prądowe przekształtnika projektowanego razem z silnikiem. Prosty wirnik nie upraszcza automatycznie całego napędu.

Pulsacje momentu i akustyka

Moment zmienia się, gdy bieguny wchodzą i wychodzą z wyrównania. Bez płynnego łączenia momentów faz wał pulsuje. Zmienne siły promieniowe mogą pobudzać rezonanse stojana, obudowy i mocowań, powodując dźwięki tonalne mimo stałego średniego momentu wału.

Inżynierowie rozwiązują te problemy łącznie:

kształt biegunów zmienia przebiegi momentu i siły promieniowej;
skos, segmentacja i łuk biegunowy rozpraszają harmoniczne sił;
profil prądu i nakładanie przewodzenia faz wygładzają moment całkowity;
strategia przełączania przesuwa lub zmniejsza uciążliwe składowe widma;
sztywność i izolacja obudowy zapobiegają przenoszeniu sił do kabiny jako hałasu.

Zmniejszenie jednego objawu może pogorszyć inny. Większe nakładanie faz wygładza moment, lecz zwiększa straty miedzi, a geometria ograniczająca drgania może wpływać na gęstość momentu lub dobór falownika. Potrzebna jest wspólna optymalizacja elektromagnetyki, przekształtnika, sterowania, konstrukcji i chłodzenia.

Zastosowanie maszyn reluktancyjnych w pojazdach elektrycznych

Są atrakcyjne, gdy ważne są dostawy magnesów, temperatura wirnika, wytrzymałość przy wysokich obrotach lub odporność na awarie. Konstrukcje bezmagnesowe unikają również oporu magnesów trwałych i napięcia jałowego, choć pozostają straty łożysk, uszczelnień, przekładni i oleju.

Nie zawsze są tańsze lub bardziej zrównoważone. Dodatkowa stal, miedź, półprzewodniki, wygłuszenie lub złożoność produkcji mogą zniwelować oszczędność magnesów. Porównanie wymaga tej samej obwiedni momentu i prędkości, chłodzenia, napięcia DC, limitów falownika, cyklu i wielkości produkcji.

Dla kupującego sama nazwa silnika mówi niewiele. Przydatne są mapa sprawności, moc ciągła, hałas i masa zespołu napędowego oraz zużycie energii pojazdu.

Kontynuuj serię o silnikach

Wróć do Electric Motors and Drive Units, aby poznać pełną serię o typach, budowie, sterowaniu, chłodzeniu, przekładniach i testach.