Jazda próbna silnika synchronicznego: co to znaczy?
Rozwój akumulatorów wciąż pozostaje w cieniu samochodów elektrycznych
Szybki rozwój hybrydowych układów napędowych i bezprecedensowy postęp w ostatnich latach w dziedzinie pojazdów elektrycznych są głównym celem rozwoju technologii akumulatorów. Wymagają maksymalnych zasobów od programistów i są największym wyzwaniem dla projektantów. Nie należy jednak lekceważyć faktu, że postępowi w rozwoju zaawansowanych technologii litowo-jonowych towarzyszy znaczący postęp w zakresie regulacji mocy prądów i silników elektrycznych. Okazało się, że chociaż silniki elektryczne mają wysoką sprawność, to mają poważne pole do rozwoju.
Projektanci spodziewają się, że branża ta będzie rosła w niezwykle szybkim tempie, nie tylko dlatego, że coraz popularniejsze stają się pojazdy elektryczne, ale także dlatego, że elektryfikacja pojazdów spalinowych jest ważnym elementem poziomów emisji ustalanych w Unii Europejskiej.
Chociaż silnik elektryczny ma starożytną historię, dziś projektanci stają przed nowymi wyzwaniami. Silniki elektryczne, w zależności od przeznaczenia, mogą mieć wąską konstrukcję i dużą średnicę lub małą średnicę i długi korpus. Ich zachowanie w pojazdach wyłącznie elektrycznych różni się od zachowania w pojazdach hybrydowych, gdzie należy uwzględnić ciepło wytwarzane przez silnik spalinowy. W przypadku pojazdów elektrycznych zakres prędkości jest szerszy, a te zainstalowane w równoległym układzie hybrydowym w skrzyni biegów muszą być zoptymalizowane, aby działały w zakresie prędkości silnika spalinowego. Większość maszyn pracuje na wysokim napięciu, ale 48-woltowe maszyny elektryczne będą stawały się coraz bardziej popularne.
Dlaczego silniki AC
Pomimo tego, że źródłem energii elektrycznej w osobie baterii jest prąd stały, projektanci instalacji elektrycznych obecnie nie myślą o zastosowaniu silników prądu stałego. Nawet przy stratach konwersji jednostki AC, zwłaszcza synchroniczne, przewyższają jednostki DC. Ale co właściwie oznacza silnik synchroniczny lub asynchroniczny? Wprowadzimy Was w tę część motoryzacyjnego świata, bo o ile samochody elektryczne od dawna istniały w samochodach w postaci rozruszników i alternatorów, to od niedawna w tym obszarze wprowadzono zupełnie nowe technologie.
Toyota, GM i BMW to obecnie jedni z nielicznych producentów, którzy sami przejęli rozwój i produkcję silników elektrycznych. Nawet Lexus, spółka zależna Toyoty, dostarcza te urządzenia innej firmie, japońskiej firmie Aisin. Większość firm polega na dostawcach takich jak ZF Sachs, Siemens, Bosch, Zytec lub chińskie firmy. Oczywiście szybki rozwój tego biznesu pozwala takim firmom czerpać korzyści z partnerstwa z producentami samochodów. Jeśli chodzi o technologiczną stronę rzeczy, to obecnie na potrzeby pojazdów elektrycznych i hybryd stosuje się głównie silniki synchroniczne prądu przemiennego z zewnętrznym lub wewnętrznym wirnikiem.
Zdolność do wydajnej konwersji akumulatorów prądu stałego na trójfazowy prąd przemienny i odwrotnie wynika w dużej mierze z postępu w technologii sterowania. Jednak poziomy prądu w energoelektronice osiągają poziomy wielokrotnie wyższe niż te występujące w domowej sieci elektrycznej i często przekraczają 150 amperów. To generuje dużo ciepła, z którym musi sobie radzić elektronika mocy. Obecnie liczba elektronicznych urządzeń sterujących jest nadal duża, ponieważ elektronicznych półprzewodnikowych urządzeń sterujących nie można zmniejszyć za pomocą magicznej różdżki.
Zarówno silniki synchroniczne, jak i asynchroniczne są rodzajem maszyn elektrycznych z wirującym polem magnetycznym, które mają większą gęstość mocy. Ogólnie rzecz biorąc, wirnik silnika indukcyjnego składa się z prostego pakietu pełnych arkuszy ze zwartymi uzwojeniami. Prąd płynie w uzwojeniach stojana przeciwległymi parami, przy czym w każdej parze płynie prąd z jednej z trzech faz. Ponieważ w każdym z nich jest przesunięty w fazie o 120 stopni względem drugiego, uzyskuje się tak zwane wirujące pole magnetyczne. To z kolei indukuje pole magnetyczne w wirniku, a oddziaływanie dwóch pól magnetycznych – obracającego się w stojanie i pola magnetycznego wirnika, prowadzi do porywania tego ostatniego i późniejszego obracania się. Jednak w tego typu silniku elektrycznym wirnik zawsze pozostaje w tyle za polem, ponieważ jeśli nie ma ruchu względnego między polem a wirnikiem, nie będzie on indukował pola magnetycznego w wirniku. Zatem poziom maksymalnej prędkości jest określony przez częstotliwość prądu zasilania i obciążenia. Jednak ze względu na wyższą sprawność silników synchronicznych większość producentów trzyma się ich.
Silniki synchroniczne
Jednostki te mają znacznie wyższą wydajność i gęstość mocy. Istotną różnicą w stosunku do silnika indukcyjnego jest to, że pole magnetyczne w wirniku nie jest wytwarzane przez interakcję ze stojanem, ale jest wynikiem albo przepływu prądu przez zainstalowane w nim dodatkowe uzwojenia, albo magnesów trwałych. Zatem pole w wirniku i pole w stojanie są synchroniczne, a maksymalna prędkość silnika zależy również odpowiednio od obrotu pola, odpowiednio od częstotliwości prądu i obciążenia. Aby uniknąć konieczności dodatkowego zasilania uzwojeń, co zwiększa pobór mocy i komplikuje regulację prądu w nowoczesnych pojazdach elektrycznych i modelach hybrydowych, stosuje się silniki elektryczne z tzw. Stałym wzbudzeniem tj. z magnesami trwałymi. Jak już wspomniano, prawie wszyscy producenci tego typu samochodów stosują obecnie jednostki tego typu, dlatego zdaniem wielu ekspertów nadal będzie problem z niedoborem drogich pierwiastków ziem rzadkich - neodymu i dysprozu. Silniki synchroniczne występują w różnych odmianach i mieszanych rozwiązaniach technologicznych, takich jak BMW czy GM, ale powiemy o nich więcej.
Budowa
Silniki pojazdów czysto elektrycznych są zwykle połączone bezpośrednio z mechanizmem różnicowym osi napędowej, a moc przekazywana jest na koła za pośrednictwem półosi, co zmniejsza straty mechaniczne w przekładni. Dzięki temu układowi pod podłogą środek ciężkości jest zmniejszony, a ogólna konstrukcja bloku staje się bardziej zwarta. Zupełnie inaczej sytuacja wygląda w przypadku układu modeli hybrydowych. W przypadku pełnych hybryd, takich jak jednomodowy (Toyota i Lexus) i dwumodowy (Chevrolet Tahoe), silniki elektryczne są w pewien sposób połączone z przekładniami planetarnymi w hybrydowym układzie napędowym, w którym to przypadku kompaktowość wymaga, aby ich konstrukcja była dłuższa i mniejsza w średnica. W klasycznych hybrydach równoległych kompaktowe wymagania oznaczają, że zespół, który pasuje między kołem zamachowym a skrzynią biegów, ma większą średnicę i jest dość płaski, a producenci tacy jak Bosch i ZF Sachs polegają nawet na konstrukcji wirnika w kształcie tarczy. Istnieją również warianty wirnika – o ile w Lexusie LS 600h element obrotowy znajduje się wewnątrz, o tyle w niektórych modelach Mercedesa wirnik znajduje się na zewnątrz. Ta ostatnia konstrukcja jest również niezwykle wygodna w przypadkach, gdy silniki elektryczne są montowane w piastach kół.
Tekst: Georgy Kolev
