مقایسه انواع موتورهای خودروهای الکتریکی

همزیستی انسان با محیط زیست و توسعه پایدار اقتصاد جهانی، مردم را مشتاق می کند تا به دنبال یک وسیله حمل و نقل کم آلاینده و با منابع کارآمد باشند و بدون شک استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی یک راه حل امیدوارکننده است.

وسایل نقلیه الکتریکی مدرن محصولات جامعی هستند که فناوری‌های مختلف با تکنولوژی بالا مانند الکتریسیته، الکترونیک، کنترل مکانیکی، علم مواد و فناوری شیمیایی را ادغام می‌کنند. عملکرد کلی عملکرد، اقتصاد و غیره ابتدا به سیستم باتری و سیستم کنترل درایو موتور بستگی دارد. سیستم محرک موتور یک وسیله نقلیه الکتریکی به طور کلی از چهار بخش اصلی یعنی کنترلر تشکیل شده است. مبدل های قدرت، موتورها و سنسورها. در حال حاضر، موتورهای مورد استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی عموماً شامل موتورهای DC، موتورهای القایی، موتورهای رلوکتانس سوئیچ و موتورهای بدون جاروبک آهنربای دائم هستند.

1. الزامات اساسی وسایل نقلیه الکتریکی برای موتورهای الکتریکی

عملکرد وسایل نقلیه الکتریکی، برخلاف کاربردهای صنعتی عمومی، بسیار پیچیده است. بنابراین، الزامات برای سیستم درایو بسیار بالا است.

1.1 موتورهای وسایل نقلیه الکتریکی باید ویژگی های قدرت لحظه ای زیاد، ظرفیت اضافه بار قوی، ضریب اضافه بار 3 تا 4)، عملکرد شتاب خوب و عمر طولانی داشته باشند.

1.2 موتورهای وسایل نقلیه الکتریکی باید محدوده وسیعی از تنظیم سرعت، از جمله ناحیه گشتاور ثابت و ناحیه قدرت ثابت داشته باشند. در ناحیه گشتاور ثابت، هنگام دویدن با سرعت کم، گشتاور بالا مورد نیاز است تا نیازهای شروع و صعود را برآورده کند. در ناحیه قدرت ثابت، زمانی که گشتاور کم برای برآوردن الزامات رانندگی با سرعت بالا در جاده های صاف مورد نیاز است، به سرعت بالا نیاز است. نیاز دارند.

1.3 موتور الکتریکی برای وسایل نقلیه الکتریکی باید بتواند ترمز احیا کننده را در هنگام کاهش سرعت خودرو، بازیابی و بازگرداندن انرژی به باتری انجام دهد، به طوری که خودروی الکتریکی بهترین میزان مصرف انرژی را داشته باشد، که در خودروی موتور احتراق داخلی قابل دستیابی نیست. .

1.4 موتور الکتریکی برای وسایل نقلیه الکتریکی باید بازده بالایی در کل محدوده عملیاتی داشته باشد، به طوری که محدوده کروز را با یک بار شارژ بهبود بخشد.

علاوه بر این، همچنین لازم است که موتور الکتریکی وسایل نقلیه الکتریکی از قابلیت اطمینان خوبی برخوردار باشد، بتواند برای مدت طولانی در یک محیط سخت کار کند، ساختاری ساده داشته باشد و برای تولید انبوه مناسب باشد، صدای کم در حین کار داشته باشد، استفاده آسان باشد. و نگهداری می شود و ارزان است.

2 انواع و روش های کنترل موتورهای الکتریکی برای وسایل نقلیه الکتریکی
2.1 DC
موتورها مزایای اصلی موتورهای DC برس دار کنترل ساده و تکنولوژی بالغ است. دارای ویژگی های کنترلی عالی است که با موتورهای AC قابل مقایسه نیست. در وسایل نقلیه الکتریکی اولیه توسعه یافته، بیشتر از موتورهای DC استفاده می شود و حتی در حال حاضر، برخی از وسایل نقلیه الکتریکی هنوز توسط موتورهای DC هدایت می شوند. اما به دلیل وجود برس ها و کموتاتورهای مکانیکی، نه تنها بهبود بیشتر ظرفیت اضافه بار و سرعت موتور را محدود می کند، بلکه در صورت کارکرد طولانی مدت نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر و تعویض برس ها و کموتاتورها دارد. علاوه بر این، از آنجایی که تلفات روی روتور وجود دارد، دفع گرما دشوار است، که بهبود بیشتر نسبت گشتاور به جرم موتور را محدود می‌کند. با توجه به عیوب فوق در موتورهای DC، موتورهای DC اساساً در خودروهای الکتریکی جدید توسعه یافته استفاده نمی شوند.

موتور القایی سه فاز 2.2 AC

2.2.1 عملکرد پایه موتور القایی سه فاز AC

موتورهای القایی سه فاز AC پرکاربردترین موتورها هستند. استاتور و روتور با ورق های فولادی سیلیکونی لمینت شده اند و هیچ حلقه لغزشی، کموتاتور و سایر اجزایی که با یکدیگر در تماس هستند بین استاتورها وجود ندارد. ساختار ساده، عملکرد قابل اعتماد و با دوام. پوشش قدرت موتور القایی AC بسیار گسترده است و سرعت آن به 12000 ~ 15000r/min می رسد. خنک کننده هوا یا خنک کننده مایع را می توان با درجه آزادی خنک کننده بالا استفاده کرد. سازگاری خوبی با محیط دارد و می تواند ترمز بازخورد احیا کننده را درک کند. در مقایسه با همان موتور DC قدرت، راندمان بالاتر است، کیفیت حدوداً به نصف کاهش می یابد، قیمت ارزان است و تعمیر و نگهداری راحت است.

2.2.2 سیستم کنترل

موتور القایی AC زیرا موتور القایی سه فاز AC نمی تواند مستقیماً از برق DC تامین شده توسط باتری استفاده کند و موتور القایی سه فاز AC دارای مشخصات خروجی غیر خطی است. بنابراین، در یک خودروی الکتریکی که از موتور القایی سه فاز AC استفاده می کند، لازم است از دستگاه نیمه هادی قدرت در اینورتر برای تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب استفاده شود که فرکانس و دامنه آن قابل تنظیم است تا کنترل AC را محقق کند. موتور سه فاز عمدتاً روش کنترل v/f و روش کنترل فرکانس لغزش وجود دارد.

با استفاده از روش کنترل برداری، فرکانس جریان متناوب سیم پیچ تحریک موتور القایی سه فاز AC و تنظیم ترمینال موتور القایی سه فاز AC ورودی، شار مغناطیسی و گشتاور میدان مغناطیسی دوار کنترل می شود. موتور القایی سه فاز AC کنترل می شود و تغییر موتور القایی سه فاز AC محقق می شود. سرعت و گشتاور خروجی می تواند الزامات ویژگی های تغییر بار را برآورده کند و می تواند بالاترین راندمان را به دست آورد، به طوری که موتور القایی سه فاز AC می تواند به طور گسترده در وسایل نقلیه الکتریکی استفاده شود.

2.2.3 کاستی های

موتور القایی سه فاز AC مصرف برق موتور القایی سه فاز AC زیاد است و روتور به راحتی گرم می شود. لازم است از خنک شدن موتور القایی سه فاز AC در هنگام کار با سرعت بالا اطمینان حاصل شود، در غیر این صورت موتور آسیب می بیند. ضریب توان موتور القایی سه فاز AC کم است به طوری که ضریب توان ورودی دستگاه تبدیل فرکانس و تبدیل ولتاژ نیز پایین است بنابراین لازم است از دستگاه تبدیل فرکانس و تبدیل ولتاژ با ظرفیت بالا استفاده شود. هزینه سیستم کنترل موتور القایی سه فاز AC بسیار بیشتر از خود موتور القایی سه فاز AC است که باعث افزایش هزینه خودرو برقی می شود. علاوه بر این، تنظیم سرعت موتور القایی سه فاز AC نیز ضعیف است.

2.3 موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائم

2.3.1 عملکرد پایه موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائم

موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائم یک موتور با کارایی بالا است. بزرگترین ویژگی آن این است که دارای ویژگی های خارجی یک موتور DC بدون ساختار تماس مکانیکی متشکل از برس است. علاوه بر این، روتور آهنربای دائمی را می پذیرد و هیچ افت تحریکی وجود ندارد: سیم پیچ آرمیچر گرم شده روی استاتور بیرونی نصب شده است که به راحتی گرما را دفع می کند. بنابراین، موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائم بدون جرقه کموتاسیون، بدون تداخل رادیویی، عمر طولانی و عملکرد قابل اعتماد است. ، تعمیر و نگهداری آسان علاوه بر این، سرعت آن با کموتاسیون مکانیکی محدود نمی شود و در صورت استفاده از بلبرینگ های هوا یا یاتاقان های تعلیق مغناطیسی، می تواند تا چند صد هزار دور در دقیقه کار کند. در مقایسه با سیستم موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائم، چگالی انرژی و راندمان بالاتری دارد و چشم انداز کاربرد خوبی در وسایل نقلیه الکتریکی دارد.

2.3.2 سیستم کنترل موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائمی

موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائم معمولی یک سیستم کنترل بردار شبه جداکننده است. از آنجایی که آهنربای دائمی فقط می تواند یک میدان مغناطیسی با دامنه ثابت ایجاد کند، سیستم موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائم بسیار مهم است. برای اجرا در ناحیه گشتاور ثابت، به طور کلی با استفاده از کنترل پسماند جریان یا روش SPWM نوع بازخورد فعلی برای تکمیل مناسب است. به منظور افزایش بیشتر سرعت، موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائمی می تواند از کنترل تضعیف میدان نیز استفاده کند. ماهیت کنترل تضعیف میدان، پیشبرد زاویه فاز جریان فاز برای ایجاد پتانسیل مغناطیس زدایی محور مستقیم برای تضعیف پیوند شار در سیم پیچ استاتور است.

2.3.3 نارسایی

موتور DC بدون جاروبک مغناطیسی دائمی موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائم تحت تأثیر فرآیند مواد آهنربای دائمی قرار می گیرد و محدود می شود، که باعث می شود محدوده قدرت موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائم کوچک باشد و حداکثر توان آن تنها ده ها کیلووات است. هنگامی که مواد مغناطیسی دائمی در معرض ارتعاش، دمای بالا و جریان اضافه بار قرار می‌گیرند، نفوذپذیری مغناطیسی آن ممکن است کاهش یابد یا مغناطیس‌زدایی شود که باعث کاهش عملکرد موتور آهنربای دائمی می‌شود و حتی در موارد شدید به موتور آسیب می‌رساند. اضافه بار رخ نمی دهد. در حالت توان ثابت، کارکرد موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائم پیچیده است و به یک سیستم کنترل پیچیده نیاز دارد که سیستم درایو موتور DC بدون جاروبک آهنربای دائمی را بسیار گران می‌کند.

2.4 موتور رلوکتانس سوئیچ شده

2.4.1 عملکرد پایه موتور رلوکتانس سوئیچ شده

موتور سوئیچ رلوکتانس نوع جدیدی از موتور است. این سیستم دارای بسیاری از ویژگی های آشکار است: ساختار آن ساده تر از هر موتور دیگری است و هیچ حلقه لغزشی، سیم پیچ و آهنربای دائمی روی روتور موتور وجود ندارد، بلکه فقط روی استاتور است. یک سیم‌پیچ متمرکز ساده وجود دارد، انتهای سیم‌پیچ کوتاه است و بلوز بین فازی وجود ندارد که نگهداری و تعمیر آن آسان است. بنابراین، قابلیت اطمینان خوب است و سرعت می تواند به 15000 دور در دقیقه برسد. راندمان می تواند به 85٪ تا 93٪ برسد که بالاتر از موتورهای القایی AC است. تلفات عمدتاً در استاتور است و موتور به راحتی خنک می شود. روتور یک آهنربای دائمی است که دارای محدوده تنظیم سرعت گسترده و کنترل انعطاف پذیر است که به راحتی می توان به الزامات ویژه مختلف ویژگی های گشتاور سرعت دست یافت و راندمان بالایی را در محدوده وسیع حفظ کرد. این بیشتر برای نیازهای عملکرد قدرت وسایل نقلیه الکتریکی مناسب است.

2.4.2 سیستم کنترل موتور رلوکتانس سوئیچینگ

موتور رلوکتانس سوئیچ دارای درجه بالایی از ویژگی های غیر خطی است، بنابراین، سیستم محرک آن پیچیده تر است. سیستم کنترل آن شامل یک مبدل قدرت است.

الف سیم پیچ تحریک موتور رلوکتانس سوئیچ مبدل قدرتبدون توجه به جریان رو به جلو یا جریان معکوس، جهت گشتاور بدون تغییر باقی می ماند و دوره تغییر می کند. هر فاز فقط به یک لوله سوئیچ قدرت با ظرفیت کمتر نیاز دارد و مدار مبدل قدرت نسبتاً ساده، بدون خرابی مستقیم، قابلیت اطمینان خوب، اجرای آسان شروع نرم و عملکرد چهار ربعی سیستم، و قابلیت ترمز احیا کننده قوی است. . هزینه کمتر از سیستم کنترل اینورتر موتور القایی سه فاز AC است.

ب کنترل کننده

کنترل کننده از ریزپردازنده ها، مدارهای منطقی دیجیتال و سایر اجزا تشکیل شده است. با توجه به دستور وارد شده توسط راننده، ریزپردازنده موقعیت روتور موتور را که توسط آشکارساز موقعیت و آشکارساز جریان به طور همزمان بازخورد می شود، تجزیه و تحلیل و پردازش می کند و در یک لحظه تصمیم می گیرد و یک سری دستورات اجرایی را صادر می کند. موتور سوئیچ رلوکتانس را کنترل کنید. سازگاری با عملکرد خودروهای الکتریکی در شرایط مختلف. عملکرد کنترل کننده و انعطاف پذیری تنظیم به همکاری عملکرد بین نرم افزار و سخت افزار ریزپردازنده بستگی دارد.

ج آشکارساز موقعیت
موتورهای رلوکتانس سوئیچ شده به آشکارسازهای موقعیت با دقت بالا نیاز دارند تا سیگنال‌های تغییرات در موقعیت، سرعت و جریان روتور موتور را به سیستم کنترل ارائه دهند و برای کاهش نویز موتور رلوکتانس سوئیچ‌شده به فرکانس سوئیچینگ بالاتری نیاز دارند.

2.4.3 کاستی های موتورهای رلوکتانس سوئیچ شده

سیستم کنترل موتور رلوکتانس سوئیچ شده کمی پیچیده تر از سیستم های کنترل موتورهای دیگر است. آشکارساز موقعیت جزء کلیدی موتور رلوکتانس سوئیچ شده است و عملکرد آن تأثیر مهمی بر عملکرد کنترل موتور رلوکتانس سوئیچ شده دارد. از آنجایی که موتور رلوکتانس سوئیچ شده ساختاری دو چندان برجسته است، به ناچار نوسانات گشتاور وجود دارد و نویز اصلی ترین نقطه ضعف موتور رلوکتانس سوئیچ شده است. با این حال، تحقیقات در سال های اخیر نشان داده است که نویز موتور رلوکتانس سوئیچ شده را می توان با اتخاذ فناوری طراحی، ساخت و کنترل معقول به طور کامل سرکوب کرد.

علاوه بر این، به دلیل نوسان زیاد گشتاور خروجی موتور رلوکتانس سوئیچ شده و نوسان زیاد جریان DC مبدل قدرت، نیاز به نصب خازن فیلتر بزرگ بر روی شین DC می باشد.خودروها در دوره های مختلف تاریخی از موتورهای الکتریکی متفاوتی استفاده کرده اند که از موتور DC با بهترین عملکرد کنترلی و هزینه کمتر استفاده می کنند. با توسعه مداوم فناوری موتور، فناوری ساخت ماشین آلات، فناوری الکترونیک قدرت و فناوری کنترل خودکار، موتورهای AC. موتورهای DC بدون جاروبک آهنربای دائم و موتورهای رلوکتانس سوئیچ عملکرد برتری نسبت به موتورهای DC نشان می دهند و این موتورها به تدریج جایگزین موتورهای DC در خودروهای الکتریکی می شوند. جدول 1 عملکرد پایه موتورهای الکتریکی مختلف مورد استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی مدرن را مقایسه می کند. در حال حاضر، هزینه موتورهای جریان متناوب، موتورهای آهنربای دائم، موتورهای رلوکتانس سوئیچ و دستگاه های کنترل آنها هنوز نسبتاً بالا است. پس از تولید انبوه، قیمت این موتورها و دستگاه‌های کنترل واحد به سرعت کاهش می‌یابد که نیازهای اقتصادی را برآورده می‌کند و باعث کاهش قیمت خودروهای برقی می‌شود.