Silniki synchroniczne ze wzbudzeniem elektrycznym
Silnik synchroniczny ze wzbudzeniem elektrycznym (EESM) zastępuje magnesy trwałe wirnika elektromagnesem, którego pole można regulować podczas jazdy. Nazywa się go również silnikiem synchronicznym z uzwojonym polem (WFSM), silnikiem synchronicznym z uzwojonym wirnikiem (WRSM) lub silnikiem synchronicznym wzbudzanym prądem.
Jak działa
Falownik trakcyjny zasila stojan sterowanym prądem trójfazowym, podobnie jak w innych silnikach trakcyjnych AC. Oddzielny obwód wzbudzenia dostarcza prąd stały do uzwojeń wirnika. Ten prąd DC tworzy bieguny magnetyczne, które sprzęgają się z wirującym polem stojana, dzięki czemu wirnik obraca się synchronicznie z nim.
W konwencjonalnej konstrukcji samochodowej nieruchome szczotki stykają się z pierścieniami ślizgowymi na obracającym się wale i przekazują prąd wzbudzenia. Zespół szczotek jest kompaktowy i zamknięty w zespole napędowym; nie jest to komutator używany w szczotkowym silniku trakcyjnym DC. Bezszczotkowe wzbudnice oparte na indukcyjnym, pojemnościowym lub podobnym do transformatora przesyle energii stanowią inną drogę konstrukcyjną, lecz dodają elementy i wymagania sterowania.
Pole wirnika powstaje przez wzbudzenie DC, a nie przez dodanie zewnętrznego rezystora do uzwojonego wirnika indukcyjnego. Prędkość i moment są sterowane przez prąd stojana, częstotliwość elektryczną, kąt prądu i prąd pola wirnika.
Regulowane pole magnetyczne
Magnesy trwałe zapewniają zasadniczo stały strumień wirnika. EESM daje sterownikowi dodatkowy stopień swobody: prąd wzbudzenia.
Przy dużym momencie sterownik może wzmocnić pole wirnika w granicach cieplnych, falownika i magnetycznych. Przy małym obciążeniu może zmniejszyć wzbudzenie, aby nie utrzymywać większego strumienia, niż wymaga punkt pracy. Przy dużej prędkości może bezpośrednio osłabić pole, zmniejszając siłę przeciwelektromotoryczną bez pełnego polegania na przeciwnym prądzie stojana.
Ta elastyczność może rozszerzyć obszar efektywnej pracy i uprościć osłabianie pola przy dużej prędkości. Najlepsza kombinacja prądów nadal wymaga optymalizacji całego układu: Straty miedzi w stojanie, straty wzbudzenia wirnika, straty falownika, napięcie, moment, prędkość i temperatura muszą być rozpatrywane łącznie.
Dlaczego producenci go wybierają
Wirnik nie potrzebuje magnesów trwałych, dlatego konstrukcja może uniknąć materiałów ziem rzadkich powszechnie stosowanych w PMSM o wysokiej gęstości mocy. Zmienia to zależność od cen magnesów i łańcuchów ich przetwarzania, choć kompletny silnik nadal zużywa znaczne ilości miedzi i stali elektrotechnicznej.
Regulowany strumień jest użyteczny w szerokim zakresie prędkości. Gdy oś nie wytwarza momentu, prąd pola można zmniejszyć lub wyłączyć, ograniczając straty indukowane magnetycznie. W razie usterki układ sterowania może również wyłączyć wzbudzenie wirnika, chociaż zmagazynowana energia magnetyczna i napięcie indukowane nadal wymagają bezpiecznego opanowania.
Architektura może zapewnić wysoką moc i stabilną pracę przy dużej prędkości. Jej zaletą nie jest „darmowa sprawność”: energia użyta do wzbudzania wirnika wchodzi do obliczeń strat.
Koszty techniczne
Wzbudzenie wirnika powoduje straty miedzi I²R w obracającej się części. Ciepło musi przejść przez wirnik, wał, szczelinę powietrzną lub wewnętrzny kanał chłodziwa, a zasilanie wzbudzenia pobiera moc, której magnes trwały nie wymaga.
Szczotki i pierścienie ślizgowe wprowadzają powierzchnie zużywające się, zarządzanie drobinami, rezystancję styku i kolejny możliwy tryb awarii. Układy samochodowe projektuje się jako szczelne, długowieczne zespoły, a nie regularnie serwisowane przemysłowe pierścienie ślizgowe, dlatego nie można przyjąć ogólnego harmonogramu obsługi. Trwałość zależy od materiału szczotek, gęstości prądu, prędkości wału, uszczelnienia, chłodzenia, drgań i celu projektowego producenta.
Wzbudzenie bezszczotkowe eliminuje ślizgowy styk elektryczny, lecz dodaje transformator obrotowy, sprzęg pojemnościowy lub inny sprzęt zasilający pole oraz prostowanie i sterowanie. Przesuwa kompromis, zamiast go usuwać.
Gęstość mocy i koszt zależą również od zespołu wzbudzenia, miejsca na uzwojenie wirnika, chłodzenia i parametrów falownika. Dobrze zaprojektowany EESM może skutecznie konkurować z napędami z magnesami trwałymi i indukcyjnymi, ale żadna pojedyncza topologia nie wygrywa w każdym punkcie pracy.
Przykłady seryjne
eDrive BMW piątej generacji wykorzystuje silniki synchroniczne wzbudzane prądem w pojazdach takich jak i4, i5, i7 i iX. BMW podaje, że pole wirnika jest wytwarzane elektrycznie, dzięki czemu w tych silnikach można pominąć magnetyczne materiały ziem rzadkich.
Renault również opisuje technologię wirnika EESM jako rozwiązanie bez magnesów i rozwijało ją dla wielu elektrycznych układów napędowych. Nie należy zakładać, że realizacje obu producentów są identyczne: Uzwojenia, zespół szczotek, chłodzenie, sterowanie, napięcie i integracja pozostają firmowymi decyzjami konstrukcyjnymi.
Przy porównywaniu pojazdów z EESM przydatne dane obejmują moc szczytową i ciągłą, prędkość maksymalną, wspólną mapę sprawności silnika i falownika, metodę wzbudzenia, chłodzenie oraz informację, czy podana sprawność obejmuje moc pola wirnika.
Wróć do Electric Motors and Drive Units.