Jaký typ elektromotoru je pro elektromobil nejlepší? — Komunita „Elektrická vozidla“ na DRIVE2

Kompaktní, výkonné a energeticky účinné: Trvale buzené synchronní motory jsou dnes standardem v oblasti elektrifikace vozidel.

Externě buzené synchronní motory a asynchronní motory stále více zaostávají. Zároveň se však mění okrajové podmínky pro elektrické pohony. Zejména se vrací jeden z konceptů elektromotorů.

Přehled technologie, typů, výhod a nevýhod elektromotorů.

K pohonu elektrických vozidel se běžně používají následující typy motorů:

— Trvale buzený synchronní motor (PSM);
— Asynchronní elektromotor (ASM);
— Externě buzený synchronní motor (EESM) – v němčině často nazývaný stromerregte Synchronmaschinen (SSM);
— Hybridní synchronní motor (HSM).

Například Porsche používá trvale buzený synchronní motor na přední i zadní nápravě Taycanu.

Nové Audi Q8 E-Tron je vybaveno elektromotory na obou nápravách, které fungují na principu asynchronního stroje.

A Renault Zoe je poháněn synchronním motorem s externím buzením proudu.

Existují také další topologie, jako jsou motory s axiálním tokem nebo motory s převodovkou s příčným tokem, které jsou buď relevantní pro specializované aplikace, nebo jsou stále ve fázi konceptu.

„Obecně platí, že různé typy elektromotorů mají své výhody a nevýhody, které je třeba vzít v úvahu v závislosti na požadavcích a aplikačním scénáři,“ vysvětluje Prof. Dr. Andreas Dokter, vedoucí vývoje společnosti Magna Powertrain.

Srovnání PSM, ASM a EESM

Tyto tři typy elektromotorů používaných v automobilovém průmyslu jsou si podobné v technickém provedení, ale liší se svými vlastnostmi.

U PSM (permanentally excited synchronous motor) je magnetické pole rotoru generováno permanentními magnety.

To umožňuje této variantě pohonu dosáhnout velmi vysoké účinnosti i v oblasti částečného zatížení. Skutečnost, že se PSM staly standardem v elektrifikaci vozidel, je způsobena vysokou účinností těchto elektromotorů v městském provozu nebo na střední vzdálenosti.

„Stále buzené synchronní stroje se velmi dobře hodí pro automobilové pohony díky své vysoké hustotě výkonu, zejména vysoké účinnosti (až 94 %), jednoduché mechanické a elektrické konstrukci (žádné kartáče, posuvné kontakty, složité vinutí) a elektronické komutaci,“ říká Peter Hofmann, autor knihy „Energy Converters for Hybrid Vehicles“.

PSM však vyžaduje speciální technologie pro montáž rotoru a statoru, které mu umožňují zvládat obrovské magnetické síly. Kromě toho je PSM dražší než asynchronní motor (ASM), jehož vlastností je přítomnost vinutí nakrátko v rotoru. Zde (v ASM) je magnetické pole v rotoru vytvářeno elektromagnetickou indukcí; permanentní magnety nejsou potřeba. Ale účinnost ASM je nižší než u synchronních motorů, jsou poněkud těžší než synchronní stroje, ale velmi spolehlivé. Výhodou asynchronních strojů je jejich jednoduchá a levná výroba. Mají však špatný účiník a nízkou účinnost. Další nevýhodou je snížení výkonové křivky při vysokých rychlostech.

Externě buzené motory (EESM) jsou technicky složité, protože vyžadují vlastní zdroj energie k pohonu rotoru. Mají však jednu důležitou výhodu: jejich rotor nevyžaduje permanentní magnety – místo magnetů má rotor navíjecí cívky – a jsou vysoce účinné. Důvodem je schopnost regulovat proud rotoru a tím i jeho magnetizaci. Přesné řízení rotorového proudu však zvyšuje složitost celého systému. Výhodou je, že elektromotor lze nyní optimalizovat pro širší spektrum aplikací s vyšší účinností.

V motoru EESM se v rotoru i ve statoru vytváří magnetické pole pomocí proudu. Na rozdíl od ASM se magnetické pole v rotoru nevytváří indukovaným napětím, ale pomocí kartáčů. Přes tyto kartáče je součástce přiváděn stejnosměrný proud. Stator je napájen střídavým proudem přes měnič a jako u všech ostatních typů střídavých motorů je zodpovědný za točivé pole.

Který koncept e-motoru vyhraje technologický závod?

Automobilky se zatím nerozhodly, jaký typ zvolit. Některé skupiny zcela mění koncepci pohonu z PSM na ASM, jiné z PSM na EESM. Někteří volí i kombinaci technologií.

Objevil se však trend: elektrické stroje bez magnetů, jako je EESM nebo asynchronní stroj, jsou podle Mahle „méně citlivé na ceny surovin, jsou šetrnější k životnímu prostředí a jsou dobrou alternativou se širokou škálou aplikací“.

Dlouhodobě mohou převládat zejména samostatně/externě buzené motory. Je to proto, že PSM vyžadují drahé magnetické materiály vzácných zemin, které zvyšují emise CO2 do atmosféry, a ASM mají nízkou účinnost.

Naproti tomu EESM používají měděnou cívku pro generování magnetického pole, kov, který je snadno dostupný.

Jak vysvětluje Vitesco Technologies, odděleně/externě buzené synchronní stroje demonstrují svou výhodu na dlouhé vzdálenosti při vysokorychlostní dálniční jízdě. Jsou účinnější než PSM, zejména při vysokých rychlostech.

Vitesco a Renault vsadili na EESM

EESM bude hrát pro Vitesco v blízké budoucnosti důležitou roli:

„Výměna rotorových magnetů za řízená elektromagnetická pole nabízí OEM potenciál pro snížení emisí CO2, dlouhodobou cenovou stabilitu a globální bezpečnost dodávek s podobnými technickými vlastnostmi,“ říká Günther Mühlberg, vedoucí produktového managementu HV Drives ve společnosti Vitesco Technologies.

Optimalizace systému na úrovni vozidla má velký potenciál. Společnost Vitesco v reakci na to vyvinula svou plně integrovanou platformu elektrické hnací nápravy EMR4 do samostatně/externě buzeného synchronního motoru. V této nové variantě je rotor PSM s permanentními magnety nahrazen novým rotorem s elektromagnety, čímž se motor EMR4 stává EESM. Oddělený/externě buzený motor údajně ušetří jednu watthodinu elektřiny na kilometr, protože neexistuje žádné permanentní magnetické pole, které by rotor zpomalilo.

Jedním z příkladů výrobce automobilů, který v současnosti pracuje na EESM, je Renault. Francouzská automobilka vyvíjí spolu se svým partnerem Valeo nový synchronní motor s externím elektrickým buzením. Elektromotor E7A má přijít na trh v roce 2027.

Synchronní motor je typ elektrického stroje se stejnou frekvencí otáčení hřídele a rotujícím magnetickým polem stacionární jednotky. Vzhledem ke své poměrně složité konstrukci nejsou takové motory tak běžné jako motory asynchronní, nicméně v některých případech jsou prakticky nenahraditelné.

Zvažme konstrukci synchronních elektromotorů, jejich výhody a nevýhody.

Princip činnosti

Princip činnosti synchronních elektrických strojů je založen na vazbě rotujícího magnetického pole statoru a konstantního magnetického pole rotoru.

V tomto případě je koncept stejný jako u asynchronního motoru: když je na vinutí stacionární jednotky přivedeno třífázové napětí, posunuté o 1200, objeví se magnetické pole se střídavými póly.

V tomto případě je do vinutí rotoru přiváděn stejnosměrný proud, který indukuje konstantní magnetické pole.

Když je do statoru dodáváno třífázové střídavé napětí a do rotoru stejnosměrný proud, budou opačné póly magnetického pole rotoru přitahovány k odpovídajícím pólům točivého pole statoru. Při této interakci vzniká krouticí moment, který otáčí hřídelí. V tomto případě bude jeho rychlost rovna frekvenci rotujícího magnetického pole indukovaného vinutími stacionární jednotky. Princip činnosti synchronních elektrických strojů je názorně znázorněn na obrázku níže.

Konstrukce a typy synchronních motorů

Synchronní motory s vinutím rotoru jsou nejběžnějšími elektrickými stroji tohoto typu. Pohonné jednotky se skládají z následujících hlavních součástí:

• Lůžka a kryty. Konstrukční prvky jsou navrženy tak, aby vyhovovaly dalším komponentům a podpěrám.
• Stator. Pevná část obsahuje jádro a vinutí třífázového střídavého proudu.
• Rotor. Otočná sestava se skládá z magnetického jádra s nainstalovaným DC vinutím.
• Vala. Konstrukční prvek je určen pro připojení mechanické zátěže, jsou v něm umístěny budicí cívky.
• Skluzové kroužky. Jednotky jsou navrženy tak, aby dodávaly konstantní napětí do vinutí rotoru.

Konstrukce synchronních motorů se může lišit v závislosti na typu. Například u elektrických strojů typu PMSM se k vytvoření magnetického pole používají permanentní magnety, takové elektromotory také nemají elektrické prstence. Existují rotory s vyčnívajícími a nevyčnívajícími pólovými konstrukcemi. První jmenované se používají v hnacích motorech pomaloběžných zařízení pracujících při značné zátěži.

Elektromotory s nevýraznou pólovou rotační jednotkou se používají ve vysokorychlostních pohonech. Na základě konstrukce statoru se rozlišují synchronní elektrické stroje s distribuovaným (na obrázku vlevo) a soustředěným vinutím (na obrázku vpravo).

U asynchronních motorů je EMF rotující jednotky indukováno magnetickým polem statoru. V důsledku toho vzniká rozdíl mezi rychlostmi otáčení magnetického pole a rotoru, který se nazývá skluz. Synchronní elektrické stroje nemají prokluz, takže takové motory lze použít v pohonech přesných mechanismů.

Mezi výhody synchronních motorů s rotorovým vinutím dále patří vysoká přetížitelnost, zvýšená účinnost (může dosáhnout až 95 %), proporcionální závislost momentu hřídele na napájecím napětí a stabilní otáčky při proměnném zatížení. Mezi nevýhody synchronních strojů patří relativní složitost konstrukce, přítomnost zdroje stejnosměrného proudu pro budicí vinutí a složitost spouštěcího obvodu.

Způsoby spouštění a buzení synchronních motorů

Synchronní stroje vyžadují stejnosměrný zdroj pro napájení vinutí rotoru. Nejrozšířenější jsou systémy statického buzení na bázi tyristorových měničů. Systémy s generátorem stejnosměrného proudu na hřídeli elektromotoru se již prakticky nepoužívají.

Tyristorové budiče jsou napájeny z transformátoru připojeného ke stejné síti jako motor. Systémy umožňují regulovat napětí, účiník a hodnotu jalové složky vinutí statoru.

Synchronní elektrické stroje nelze spustit přímým připojením k síti, protože změna pólů točivého magnetického pole nastává v důsledku setrvačnosti příliš rychle, zrychlení rotoru na synchronní rychlost je nemožné.

Existuje několik schémat pro spouštění synchronních elektromotorů.

Motor. Synchronní motor se spouští zrychlením rotoru na synchronní frekvenci pomocí pomocného elektrického stroje. V tomto případě dojde k zapnutí elektromotoru po dosažení synchronní frekvence, načež se pomocný motor zastaví. Pohonné obvody jsou považovány za zastaralé pro jejich vysokou cenu a značné rozměry a hmotnost se již prakticky nepoužívají.

Asynchronní. Synchronní motory s asynchronním rozběhem mají na pólových nástavcích rotoru přídavné vinutí klece nakrátko. Elektromotor se spouští při nepřítomnosti stejnosměrného proudu v budicím vinutí jako u asynchronních elektrických strojů. Po zrychlení na rychlost blízkou synchronní je do cívky rotoru přiváděn stejnosměrný proud a motor začíná pracovat v synchronním režimu. Během startu, před vstupem do synchronismu, je vinutí rotoru uzavřeno na odpor, což je nutné pro omezení proudu indukovaného statorovým polem při rozběhu a zrychlení. Tato metoda umožňuje spustit synchronní stroj přímo ze sítě. Mezi nevýhody patří značný startovací proud a obtížný start pod zátěží.

Frekvence. V tomto případě je elektromotor připojen k frekvenčnímu měniči. Elektrický stroj se spouští přivedením nízkofrekvenčního napětí a jeho postupným zvyšováním na jmenovitou hodnotu motor pracuje po celou dobu synchronně. Tato metoda umožňuje zkrátit dobu přechodových procesů a rozběhových proudů, snížit tepelné zatížení a spouštět synchronní elektrické stroje pod zátěží. Nevýhodou této metody je poměrně vysoká cena specializovaného frekvenčního měniče. Frekvenční spouštění je nejslibnější, umožňuje odstranit mnoho nedostatků synchronních elektrických strojů.

Typy synchronních elektromotorů

Elektrické pohonné jednotky se synchronní rychlostí otáčení se používají pro řešení pohonů pro nejrůznější účely: zařízení pro strojírenské systémy a průmysl, domácí a průmyslové mechanismy. Kromě elektrických strojů s rotorovým vinutím existuje několik dalších typů synchronních motorů. Zvažme jejich typy a design podrobněji.

Motory s permanentními magnety

Konstrukce PMSM připomíná synchronní motory s vinutím rotoru. Hlavním rozdílem je přítomnost permanentních magnetů na rotační části namísto vinutí. Motory s permanentními magnety nevyžadují stejnosměrný zdroj pro napájení budícího vinutí.

• Zjednodušená konstrukce ve srovnání se synchronním motorem s vinutím rotoru.
• Zvýšená účinnost
• Vylepšený poměr hmotnost/výkon.
• Možnost přesné regulace točivého momentu a otáček.

PMSM mají vyšší cenu, což poněkud omezuje jejich použití. Rozsah použití elektrických strojů je pro pohony středního a malého výkonu.

Synchronní reluktanční motor

Otáčení hřídele takových elektromotorů se provádí v důsledku rozdílu v magnetické vodivosti rotoru v příčné a podélné rovině. Čím více se tyto hodnoty liší, tím vyšší je točivý moment na hřídeli elektrického stroje. Konstrukce statoru reluktančních motorů se neliší od standardních synchronních elektrických strojů s distribuovaným nebo soustředěným třífázovým vinutím.

Možnosti provedení otočné části: vyčnívající póly (vlevo), axiálně laminované (uprostřed) a příčně laminované (vpravo).

Synchronní reluktanční motor má následující výhody:

• Jednoduchá konstrukce rotoru bez magnetů a vinutí.
• Mírné zahřívání.
• Nízká setrvačnost.
• Možnost nastavení rychlosti v širokém rozsahu.

Mezi nevýhody elektrických strojů patří nízký účiník. Oblastí použití těchto motorů jsou pohony zařízení a mechanismů s nízkým výkonem.

Hysterezní motor

Princip činnosti elektrických strojů s hysterezí je založen na fenoménu hystereze tvrdých magnetických materiálů. Kroutící moment vzniká vlivem zbytkové magnetizace rotoru, která je realizována magnetickým polem statoru elektromotoru, jinak je princip činnosti elektromotorů podobný jako u PMSM.

Rotační část hysterezních motorů má konstrukci nevyčnívající pólové sestavy. Mezi výhody elektrických strojů patří:

• Snadný start bez dalšího vybavení.
• Žádné vysoké startovací proudy.
• Plynulý vstup do synchronního režimu.
• Jednoduchá konstrukce.
• Vyšší účiník než synchronní reluktanční motory.

Mezi nevýhody patří vysoká cena, která je dána cenou tvrdých magnetických materiálů s širokou hysterezní smyčkou pro rotor.

Hysterezní reluktanční motor

Reluktančně-hysterezní motory jsou typem synchronních elektrických strojů s vyčnívajícím pólovým rotátorem. Startování se provádí díky točivému momentu generovanému interakcí rotujícího magnetického pole statoru a hystereze rotoru.

Další provoz motoru v synchronním režimu je způsoben jalovým momentem a zbytkovou magnetizací. Motory tak kombinují výhody reaktivních a hysterečních elektrických strojů:

• Jednoduchost designu.
• Samostartování bez dalšího vybavení.
• Možnost provozu z jednofázového napájení.

Mezi nevýhody patří nízká účinnost a cosφ. Rozsah použití motorů s reaktivní hysterezí: mikropohony pro různé účely.

Pohonná technologie a automatizační zařízení