EVs تقاضا برای موتورهای محرک قفس سنجاب را افزایش می دهد

تصور کنید یک «قلب» بسیار کارآمد در یک وسیله نقلیه الکتریکی بی‌صدا می‌تپد – قلبی که بدون ساختارهای برس پیچیده، قدرت قابل اعتمادی را ارائه می‌کند. این موتور القایی قفس سنجابی (SCIM)، یک موتور AC است که به طور گسترده در کاربردهای صنعتی و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود. اما چه چیزی این موتور را منحصر به فرد می کند و با چه چالش ها و فرصت هایی مواجه است؟

نمای کلی

موتور القایی قفس سنجابی یک موتور AC بدون جاروبک است که توسط ولتاژ و جریان سینوسی تغذیه می شود. ساخت ساده، هزینه کم، قابلیت اطمینان بالا، دوام، موج گشتاور حداقل، نیاز به تعمیر و نگهداری کم، و توانایی کار در محیط های سخت، آن را برای کاربردهای صنعتی و سیستم های پیشران الکتریکی ایده آل کرده است.

کاربردهای خودروهای الکتریکی

SCIM ها در چندین وسیله نقلیه الکتریکی با باتری (BEV) از جمله اتومبیل های سواری، اتوبوس ها و کامیون های سبک پیاده سازی شده اند. از نمونه های قابل توجه می توان به تسلا S-2014، Tazzari Zero، مرسدس بنز کلاس B Electric Drive، Mahindra e2o و Toyota RAV4 EV اشاره کرد. علاوه بر این، اولین نسخه کامیون برقی سبک نیوتن اسمیت Electric Vehicles و اتوبوس باتری الکتریکی Optare Solo EV نیز از SCIM های سه فاز استفاده می کنند.

اصل کار و ویژگی های ساختاری

به عنوان یک موتور ناهمزمان، SCIM با تفاوتی بین سرعت میدان مغناطیسی دوار تولید شده توسط سیم‌پیچ‌های استاتور و سرعت روتور کار می‌کند. ساختار نسبتاً ساده آن فرآیندهای طراحی و ساخت را در مقایسه با سایر انواع موتور ساده می کند. برخلاف موتورهای آهنربای دائم، SCIM ها از مواد مقرون به صرفه تری استفاده می کنند. در حالی که SCIM های سه فاز رایج ترین هستند، موتورهایی با شماره فازهای بالاتر برای بهبود چگالی توان و کاهش امواج گشتاور و جریان هر فاز در دست توسعه هستند.

روتور حاوی یک قفس سنجاب آلومینیومی ریخته‌گری است که جریان‌های روتور ناشی از میدان مغناطیسی در حال چرخش استاتور است. برهمکنش بین این میدان و میدان مغناطیسی جریان روتور باعث تولید گشتاور الکترومغناطیسی می شود. راندمان را می توان با استفاده از مس به جای آلومینیوم برای میله های روتور و حلقه های انتهایی افزایش داد.

محدودیت های عملکرد و اقدامات بهبود

SCIM ها دارای معایب ذاتی هستند از جمله کنترل دشوار سرعت پایین، ضریب توان کم تحت بارهای سبک، جریان راه اندازی بالا، راندمان نسبتا کم و استفاده ضعیف از اینورتر. حتی در شرایط بدون بار، جریان مغناطیسی تلفات مس و رتبه بندی مبدل های الکترونیکی را افزایش می دهد. تکنیک های کنترل مناسب می تواند به حداکثر گشتاور راه اندازی دست یابد و در عین حال جریان راه اندازی کم را حفظ کند.

برای کاربردهای موتور توپی، SCIM ها می توانند از روتورهای قفس بیرونی برای افزایش قطر شکاف هوا و گشتاور خروجی استفاده کنند. قابل ذکر است که SCIM ها چگالی گشتاور و کارایی کمتری در مقایسه با انواع موتورهای دیگر دارند و آنها را برای BEVها نسبت به وسایل نقلیه هیبریدی یا پلاگین هیبریدی که در آن محدودیت فضا وجود دارد، مناسب تر می کند. حداکثر سرعت معمولاً به 10000 دور در دقیقه محدود می‌شود، اگرچه تکنیک‌های تضعیف میدان می‌توانند محدوده قدرت ثابت را تا 4 تا 5 برابر سرعت پایه افزایش دهند - یک نیاز حیاتی برای وسایل نقلیه الکتریکی.

فن آوری های کنترل

تکنیک های کنترل سرعت و گشتاور مختلفی در حال حاضر استفاده می شود. ساده ترین کنترل اسکالر است که مقدار و فرکانس ولتاژ را تنظیم می کند، اگرچه عملکرد گذرا آن محدود است. برای بهبود پاسخ گذرا، کنترل میدان گرا (FOC) و کنترل گشتاور مستقیم (DTC) در حال اجرا هستند، در حالی که روش های کنترل بدون سنسور (حذف سنسورهای سرعت/موقعیت) توجه را به خود جلب می کنند.

موتورهای مگنت دائمی

موتورهای براشلس آهنربای دائمی به دو دسته تقسیم می شوند: بدون جاروبک DC (BLDC) و بدون جاروبک AC (موتورهای سنکرون آهنربای دائم یا PMSM). در حالی که هر دو دارای روتورهای آهنربای دائمی هستند، آرایش سیم پیچ استاتور آنها متفاوت است. موتورهای BLDC از سیم‌پیچ‌های ذوزنقه‌ای با EMF پشتی ذوزنقه‌ای استفاده می‌کنند که معمولاً توسط جریان‌های فاز مستطیلی تغذیه می‌شوند. این اجازه می دهد تا روش های کنترل ساده ای با استفاده از بازخورد موقعیت شش بار در هر چرخش حس شود.

PMSMها از موتورهای سنکرون روتور پیچشی تکامل یافته و سیم‌پیچ‌های تحریک برس/حلقه لغزشی را با آهنرباهای دائمی جایگزین کردند. استاتورهای آن‌ها شبیه موتورهای القایی هستند، با سیم‌پیچ‌های سینوسی که EMF پشتی سینوسی تولید می‌کنند که توسط جریان‌های سینوسی تغذیه می‌شوند. این تفاوت ها به طور قابل توجهی بر رفتار موتور و الگوریتم های کنترل تأثیر می گذارد و PMSM ها را برای سیستم های کشش EV مناسب تر می کند.

طراحی موتور آهنربای دائمی

در حالی که اکثر PMSMها از طرح‌های شار شعاعی استفاده می‌کنند، پیکربندی‌های شار محوری مزایایی در نسبت گشتاور به اینرسی و چگالی توان برای محدوده‌های قدرت خاص، به‌ویژه در کاربردهای موتور هاب دارند. آهنرباهای خاکی کمیاب به دلیل خواص مغناطیسی برتر بر سیستم های پیشران EV غالب هستند، اگرچه PMSM های با کارایی بالا را می توان با درجه آهنربای پایین تر طراحی کرد.

PMSM های خاکی کمیاب ویژگی های جذابی از جمله چگالی توان/گشتاور بالا، عملکرد سرعت همزمان، راندمان بالا، کنترل دقیق گشتاور، و عملکرد بدون نیاز به تعمیر و نگهداری را ارائه می دهند. با این حال، محدودیت‌ها شامل قابلیت تضعیف میدان محدود (مخصوصاً در PMSM‌های نصب‌شده روی سطح)، خطرات مغناطیس‌زدایی ناشی از شوک مکانیکی، دمای بالا یا اثرات اتصال کوتاه است که ایمنی و تحمل خطا را به نگرانی‌های حیاتی تبدیل می‌کند.

موتورهای رلوکتانس سوئیچ شده

موتورهای رلوکتانس سوئیچینگ (SRMs) ماشین‌های بدون جاروبکی هستند که ساختارهای برجسته‌ای دارند - هم روتور و هم استاتور دارای قطب‌های بیرون زده هستند. استاتور دارای سیم پیچ های متمرکز مشابه موتورهای DC است، در حالی که روتور نه سیم پیچی دارد و نه آهنربا. حرکت روتور با انرژی دادن متوالی قطب های استاتور از طریق کنترل الکترونیکی حفظ می شود.

SRM ها به دلیل ساختار روتور بدون عارضه، سادگی، هزینه کم و سهولت ساخت را ارائه می دهند. آن‌ها محدوده‌های سرعت ثابت با قدرت ثابت (تا 7:1) را ارائه می‌کنند - ایده‌آل برای درایوهای EV بدون دنده - همراه با قابلیت دمای بالا، اینرسی کم روتور، گشتاور راه‌اندازی بالا، و شتاب سریع. با این حال، محدودیت های ذاتی شامل موج گشتاور قابل توجه، ارتعاش، نویز صوتی، کنترل پیچیده به دلیل غیرخطی بودن بالا، و راندمان پایین تر از تلفات آهن بیشتر است.

موتورهای سوئیچینگ شار

موتورهای سوئیچینگ شار (FSMs) ماشین‌های براشلس مضاعف هستند که برای کاربردهای کششی مورد بررسی قرار می‌گیرند. استاتورهای آنها شامل سیم‌پیچ‌های تحریک DC و سیم‌پیچ‌های آرمیچر AC (معمولاً سه فاز) هستند که باعث کاهش لرزش/نویز در مقایسه با SRMها می‌شوند. سادگی روتور FSM ها را برای عملکرد با سرعت بالا قوی می کند.

انواع FSM شامل انواع برانگیخته سیم پیچی (WFFSM)، آهنربای دائمی (PMFSM) و برانگیخته هیبریدی (HEFSM) است. در حالی که PMFSM ها محدوده سرعت محدود با توان ثابت را نشان می دهند، WFFSM ها در این زمینه از طریق کنترل سیم پیچ DC برتری دارند. ویژگی‌های جذاب FSM شامل سادگی ساختاری، چگالی شار شکاف هوای بالا (بازده چگالی توان/گشتاور بالا) و ناهمواری برای محیط‌های خشن است. معایب شامل تلفات مس بیشتر و موج گشتاور ذاتی است.

موتورهای رلوکتانس سنکرون

موتورهای رلوکتانس سنکرون (SynRMs) به طور همزمان از طریق برق AC سه فاز کار می کنند. روتورهای چند لایه آنها - که حاوی نه هادی و نه آهنربا هستند - تلفات روتور را به حداقل می رساند. گشتاور صرفاً از عدم تمایل مغناطیسی به دست می آید و برای عملکرد بهینه به نسبت های برجسته (Ld/Lq) نیاز دارد. روتور مانع چند شار، شار مغناطیسی را هدایت می کند در حالی که شار چهار محور را مسدود می کند.

SynRMها سادگی ساخت و الزامات رقابتی ضریب توان/اینورتر را در مقابل موتورهای القایی ارائه می‌دهند، اگرچه از نظر بازده و چگالی گشتاور PMSM را دنبال می‌کنند. طراحی دقیق مانع شار می تواند مشکلات ریپل گشتاور را کاهش دهد. اکنون چندین تولیدکننده SynRMهای صنعتی را با نمونه های اولیه توسعه یافته برای کاربردهای EV ارائه می کنند.

موتورهای رلوکتانس سنکرون به کمک مگنت دائمی

قرار دادن آهنربا در روتورهای SynRM باعث ایجاد PMa-SynRM می شود که نامزدهای امیدوارکننده ای برای درایوهای EV است. مشابه PMSM های داخلی، این ماشین ها آهنرباهای فریت را در موانع شار روتور تعبیه می کنند تا نسبت برجستگی را افزایش دهند. قطبیت آهنرباها شار چهارگانه محور را مقابله می کند، Lq را به حداقل می رساند و نسبت Ld/Lq را برای افزایش گشتاور رلوکتانسی (که بر گشتاور هم ترازی غالب است) به حداکثر می رساند.

PMa-SynRM مزایای موتور PM و عدم تمایل را ترکیب می کند: راندمان بالا، چگالی، ضریب توان و محدوده سرعت. استفاده از فریت‌های کم‌هزینه به‌جای آهن‌رباهای خاکی کمیاب، نگرانی‌های هزینه/تامین را برطرف می‌کند و در عین حال خطرات مغناطیس‌زدایی و EMF را کاهش می‌دهد. طراحی‌های روتور از حفره‌های چند لایه برای فریت‌های تعبیه‌شده استفاده می‌کنند که برجستگی مغناطیسی را بهینه می‌کند. اگرچه هنوز در خودروهای برقی تجاری نشده است، تلاش‌های توسعه بر روی نمونه‌های اولیه PMa-SynRM مبتنی بر فریت ادامه دارد.

مقایسه عملکرد موتور

هنگام ارزیابی انواع موتور (SRMs، WFFSMs، PMFSMs، PMa-SynRMs، PMSMs، و SCIM)، هیچ کاندیدای واحدی به وضوح در تمام معیارها بهتر از سایرین عمل نمی کند. ملاحظات کلیدی شامل موج گشتاور، نویز/ارتعاش، قابلیت ساخت، استحکام، تحمل خطا، محدوده توان ثابت و پیچیدگی کنترل است. تجزیه و تحلیل جامع برای مطابقت با الزامات کاربردی خاص با ویژگی های موتور بهینه مورد نیاز است.