Evs impulsiona a demanda por motores de indução de gaiola de esquilo

Imaginem um "coração" altamente eficiente batendo silenciosamente dentro de um veículo elétrico, um que fornece energia confiável sem estruturas de escovas complexas.um motor AC amplamente utilizado tanto em aplicações industriais como em veículos elétricosMas o que torna este motor único e que desafios e oportunidades enfrenta?

Resumo

O motor de indução de gaiola de esquilo é um motor AC sem escovas alimentado por tensão e corrente sinusoidal.baixos requisitos de manutenção, e capacidade de operar em ambientes adversos tornam-no ideal para aplicações industriais e sistemas de propulsão elétrica.

Aplicações de veículos elétricos

SCIMs foram implementados em vários veículos elétricos a bateria disponíveis comercialmente (BEVs), incluindo carros de passageiros, ônibus e caminhões leves.Tazzari Zero, Mercedes-Benz Classe B Drive Elétrico, Mahindra e2o, e Toyota RAV4 EV. Além disso,A primeira versão do caminhão elétrico leve Newton da Smith Electric Vehicles e o ônibus elétrico a bateria Optare Solo EV também utilizam SCIMs trifásicos..

Princípio de funcionamento e características estruturais

Como motor assíncrono, o SCIM opera com uma diferença entre a velocidade do campo magnético giratório gerada pelos enrolamentos do estator e a velocidade do rotor.Sua estrutura relativamente simples simplifica os processos de projeto e fabricação em comparação com outros tipos de motoresAo contrário dos motores de ímãs permanentes, os SCIMs usam materiais mais acessíveis.Motores com números de fase mais elevados estão em desenvolvimento para melhorar a densidade de potência e reduzir a onda de torque e a corrente por fase.

O rotor contém uma gaiola de esquilo de alumínio fundido, com correntes do rotor induzidas pelo campo magnético rotativo do estator.A interação entre este campo e campo magnético da corrente do rotor gera binário eletromagnéticoA eficiência pode ser aumentada através da utilização de cobre em vez de alumínio para barras de rotor e anéis de ponta.

Limitações de desempenho e medidas de melhoria

Os SCIMs têm desvantagens inerentes, incluindo controle de baixa velocidade difícil, baixo fator de potência sob cargas leves, alta corrente de partida, eficiência relativamente baixa e baixa utilização do inversor.Mesmo em condições de falta de cargaA corrente de magnetização aumenta as perdas de cobre e as classificações dos conversores eletrónicos.

Para aplicações de motores hub, os SCIMs podem empregar rotores de gaiola externa para aumentar o diâmetro da lacuna de ar e o binário de saída.tornando-os mais adequados para veículos eléctricos de passageiros do que veículos híbridos ou híbridos plug-in em que existem limitações de espaçoA velocidade máxima é tipicamente limitada a 10.000 rpm, embora as técnicas de enfraquecimento do campo possam estender a faixa de potência constante para 4-5 vezes a velocidade de base, um requisito crucial para veículos elétricos.

Tecnologias de controlo

Várias técnicas de controle de velocidade e torque são atualmente empregadas. O mais simples é o controle escalar, que ajusta a magnitude e a frequência da tensão, embora seu desempenho transitório seja limitado.Para melhorar a resposta transitória, o controlo orientado para o campo (FOC) e o controlo directo do binário (DTC) estão a ser implementados, enquanto os métodos de controlo sem sensores (eliminação dos sensores de velocidade/posição) estão a ganhar atenção.

Motores de ímã permanente

Os motores sem escovas de ímã permanente se dividem em duas categorias: DC sem escovas (BLDC) e AC sem escovas (motores síncronos de ímã permanente ou PMSM).As suas configurações de enrolamento do estator diferem. Os motores BLDC usam enrolamentos trapezoidais com EMF trapezoidal, normalmente alimentados por correntes de fase retangulares.Isto permite métodos de controlo simples usando feedback de posição detectada seis vezes por rotação.

Os PMSM evoluíram a partir de motores síncronos de rotor de ferida, substituindo os enrolamentos de excitação de pincel / anel deslizante por ímãs permanentes.com enrolamentos sinusoidais que produzem um campo electromagnético sinusoidal de retorno alimentado por correntes sinusoidaisEssas diferenças afetam significativamente o comportamento motor e os algoritmos de controlo, tornando os PMSM mais adequados para sistemas de tracção de veículos eléctricos.

Design do motor de ímã permanente

Enquanto a maioria dos PMSM usa projetos de fluxo radial, as configurações de fluxo axial oferecem vantagens na relação torque-inercia e densidade de potência para certas faixas de potência, particularmente em aplicações de motores de hub.Os ímãs de terras raras dominam os sistemas de propulsão de veículos elétricos devido às suas propriedades magnéticas superiores, embora os PMSM de alta eficiência possam ser concebidos com graus de ímã mais baixos.

Os PMSM de terras raras oferecem características atraentes, incluindo alta densidade de potência/torque, operação de velocidade síncrona, alta eficiência, controlo preciso do torque e operação sem manutenção.As limitações incluem a capacidade limitada de enfraquecimento do campo (especialmente nos PMSM montados em superfície), os riscos de desmagnetização por choque mecânico, altas temperaturas ou efeitos de curto-circuito, tornando a segurança e a tolerância a falhas questões críticas.

Motores de relutância desligados

Os motores de relutância comutada (SRM) são máquinas sem escovas com estruturas duplamente salientes, tanto o rotor quanto o estator possuem polos salientes.enquanto o rotor não tem nem enrolamentos nem ímãsO movimento do rotor é mantido pela energia sequencial dos polos do estator através de controle eletrônico.

Os SRMs oferecem simplicidade, baixo custo e facilidade de fabricação devido à sua estrutura do rotor não complicada.1)"ideal para a condução de veículos eléctricos sem engrenagem" juntamente com capacidade de alta temperaturaNo entanto, as limitações inerentes incluem ondulação significativa do binário, vibração, ruído acústico, controle complexo devido à alta não-linearidade.,e menor eficiência devido a perdas de ferro mais elevadas.

Motores de comutação de fluxo

Os motores de comutação de fluxo (FSM) são máquinas sem escovas duplamente importantes sob investigação para aplicações de tração.Os seus estatores contêm enrolamentos de excitação em corrente contínua e enrolamentos de armadura AC (normalmente trifásicos), reduzindo a vibração/ruído em comparação com os SRMs. A simplicidade do rotor torna os FSM robustos para operação de alta velocidade.

As variantes de FSM incluem tipos de excitado por enrolamento (WFFSM), ímã permanente (PMFSM) e híbrido excitado (HEFSM).Os WFFSMs se destacam a este respeito através do controlo do enrolamento em CCAs características atrativas do FSM incluem simplicidade estrutural, alta densidade de fluxo de espaçamento de ar (que produz uma alta densidade de potência/torque) e robustez para ambientes adversos.As desvantagens incluem perdas de cobre mais elevadas e ondulação inerente do binário.

Motores de relutância síncrona

Os motores de relutância síncrona (SynRMs) operam de forma síncrona através de energia AC de três fases.O binário deriva unicamente da relutância magnéticaOs projetos de rotores de barreira de fluxo múltipla guiam o fluxo magnético enquanto bloqueiam o fluxo do eixo quadrado.

Os SynRMs oferecem simplicidade de fabricação e requisitos competitivos de fator de potência / inversor em relação aos motores de indução, embora sejam inferiores aos PMSMs em eficiência e densidade de binário.O projeto cuidadoso da barreira de fluxo pode mitigar os problemas de ondulação de torqueVários fabricantes oferecem agora SynRMs de nível industrial, com protótipos recentes desenvolvidos para aplicações EV.

Motores de relutância síncrona assistidos por um ímã permanente

A inserção de ímãs nos rotores SynRM cria candidatos promissores para motores EV.Estas máquinas incorporam ímãs de ferrite nas barreiras de fluxo do rotor para aumentar a relação de saliênciaA polaridade dos ímãs contrasta com o fluxo do eixo quadrado, minimizando Lq e maximizando a relação Ld/Lq para aumentar o binário de relutância (que domina o binário de alinhamento).

Os PMa-SynRMs combinam as vantagens do motor de PM e relutância: alta eficiência, densidade, fator de potência e faixa de velocidade.O uso de ferritos de baixo custo em vez de ímãs de terras raras resolve os problemas de custo/fornecimento, reduzindo os riscos de desmagnetização e de EMFOs projetos de rotores empregam cavidades de várias camadas para ferritos incorporados, otimizando a saliência magnética.Os esforços de desenvolvimento continuam nos protótipos PMa-SynRM à base de ferrita.

Comparação do desempenho motor

Ao avaliar os tipos de motores (SRM, WFFSM, PMFSM, PMa-SynRM, PMSM e SCIM), nenhum candidato excede claramente os outros em todas as métricas.ruído/vibração, fabricabilidade, robustez, tolerância a falhas, faixa de potência constante e complexidade de controle.É necessária uma análise abrangente para combinar requisitos específicos de aplicação com características motoras ideais.