מדוע מהירות המנוע הולכת וגוברת מונעת מהעלות?

הַקדָמָה

 

 

ב"כנס האביב של מותג Dongfeng Motor 2023" ב-10 באפריל, שוחרר מותג כוח האנרגיה החדש Mach E. E מייצג חשמל, יעילות גבוהה, חיסכון באנרגיה והגנת הסביבה.Mach E מורכב בעיקר משלוש פלטפורמות מוצר עיקריות: כונן חשמלי, סוללה ותוספי אנרגיה.

 

ביניהם, לחלק ההנעה החשמלית של מאך יש את המאפיינים הבאים:

 

  • מנוע עם טכנולוגיית רוטור מצופה בסיבי פחמן, המהירות יכולה להגיע ל-30,000 סל"ד;
  • קירור שמן;
  • סטטור תיל שטוח עם חריץ 1 ו-8 חוטים;
  • בקר SiC בפיתוח עצמי;
  • היעילות המקסימלית של המערכת יכולה להגיע ל-94.5%.

 

בהשוואה לטכנולוגיות אחרות,הרוטור המצופה בסיבי פחמן והמהירות המרבית של 30,000 סל"ד הפכו לנקודות השיא המובהקות ביותר של הכונן החשמלי הזה.

 

微信图片_20230419181816
הנעה חשמלית של Mach E 30000rpm

 

סל"ד גבוה ועלות נמוכה קישור מהותי

המהירות המרבית של מנוע האנרגיה החדש גדלה מ-10,000 סל"ד הראשוניים ל-15,000-18,000 סל"ד הפופולריים כעת.לאחרונה, חברות השיקו יותר מ-20,000 סל"ד מערכות הנעה חשמליות, אז מדוע המהירות של מנועי אנרגיה חדשים הולכת וגוברת?

 

כן, תוצאות מונחות עלות!

 

להלן ניתוח של הקשר בין מהירות המנוע לעלות המנוע ברמה התיאורטית והסימולציה.

 

מערכת ההנעה החשמלית החדשה טהורה כוללת בדרך כלל שלושה חלקים, המנוע, בקר המנוע ותיבת ההילוכים.בקר המנוע הוא קצה הכניסה של אנרגיה חשמלית, תיבת ההילוכים היא קצה הפלט של אנרגיה מכנית, והמנוע הוא יחידת ההמרה של אנרגיה חשמלית ואנרגיה מכנית.שיטת העבודה שלו היא שהבקר מכניס אנרגיה חשמלית (זרם * מתח) לתוך המנוע.באמצעות האינטראקציה של אנרגיה חשמלית ואנרגיה מגנטית בתוך המנוע, הוא מוציא אנרגיה מכנית (מהירות*מומנט) לתיבת ההילוכים.תיבת ההילוכים מניעה את הרכב על ידי התאמת המהירות והמומנט על ידי המנוע באמצעות יחס הפחתת ההילוכים.

 

על ידי ניתוח נוסחת מומנט המנוע, ניתן לראות שמומנט תפוקת המנוע T2 נמצא בקורלציה חיובית עם נפח המנוע.

 

微信图片_20230419181827
 

N הוא מספר הסיבובים של הסטטור, I הוא זרם הכניסה של הסטטור, B הוא צפיפות שטף האוויר, R הוא הרדיוס של ליבת הרוטור, ו-L הוא אורך ליבת המנוע.

 

במקרה של הבטחת מספר הסיבובים של המנוע, זרם הכניסה של הבקר וצפיפות השטף של מרווח האוויר של המנוע, אם הדרישה למומנט היציאה T2 של המנוע מצטמצמת, האורך או הקוטר של המנוע. ניתן להפחית את ליבת הברזל.

 

שינוי אורך הליבה המנוע אינו כרוך בשינוי תבנית ההטבעה של הסטטור והרוטור, והשינוי הוא פשוט יחסית, ולכן הפעולה הרגילה היא קביעת קוטר הליבה והקטנת אורך הליבה .

 

ככל שאורכה של ליבת הברזל פוחת, כמות החומרים האלקטרומגנטיים (ליבת ברזל, פלדה מגנטית, סלילה מנוע) של המנוע מצטמצמת.חומרים אלקטרומגנטיים מהווים חלק גדול יחסית מעלות המנוע, ומהווים כ-72%.אם ניתן להפחית את המומנט, עלות המנוע תופחת משמעותית.

 

微信图片_20230419181832
 

הרכב עלות מנוע

 

מכיוון שלרכבי אנרגיה חדשים יש דרישה קבועה למומנט קצה הגלגל, אם יש להפחית את מומנט המוצא של המנוע, יש להגדיל את יחס המהירות של תיבת ההילוכים כדי להבטיח את מומנט קצה הגלגל של הרכב.

 

n1=n2/r

T1=T2×r

n1 הוא המהירות של קצה הגלגל, n2 הוא מהירות המנוע, T1 הוא המומנט של קצה הגלגל, T2 הוא המומנט של המנוע, ו-r הוא יחס ההפחתה.

 

ומכיוון שלרכבי אנרגיה חדשים עדיין יש את הדרישה של מהירות מרבית, המהירות המרבית של הרכב תרד גם לאחר הגדלת יחס המהירות של תיבת ההילוכים, דבר שאינו מתקבל על הדעת, ולכן הדבר מחייב להגביר את מהירות המנוע.

 

לסיכום,לאחר שהמנוע מפחית מומנט ומאיץ, עם יחס מהירות סביר, זה יכול להפחית את עלות המנוע תוך הבטחת דרישת הכוח של הרכב.

השפעת האצת דה-פיתול על נכסים אחרים01לאחר הפחתת המומנט והאיצה, אורך ליבת המנוע יורד, האם זה ישפיע על ההספק? בואו נסתכל על נוסחת הכוח.

 

微信图片_20230419181837
U הוא מתח הפאזה, I הוא זרם הכניסה של הסטטור, cos∅ הוא גורם ההספק, ו-η הוא היעילות.

 

ניתן לראות מהנוסחה שאין פרמטרים הקשורים לגודל המנוע בנוסחה של הספק המוצא של המנוע, ולכן לשינוי אורך ליבת המנוע יש השפעה מועטה על ההספק.

 

להלן תוצאת הסימולציה של המאפיינים החיצוניים של מנוע מסוים. בהשוואה לעקומת המאפיין החיצוני, אורך ליבת הברזל מצטמצם, מומנט המוצא של המנוע הופך קטן יותר, אך הספק המוצא המרבי אינו משתנה בהרבה, מה שמאשר גם את הגזירה התיאורטית לעיל.

微信图片_20230419181842

השוואה של עקומות אופייניות חיצוניות של כוח ומומנט מנוע עם אורכי ליבות ברזל שונים

 

02העלייה במהירות המנוע מציבה דרישות גבוהות יותר לבחירת מיסבים, ונדרשים מיסבים מהירים כדי להבטיח את חיי ההפעלה של המסבים.

03מנועים מהירים מתאימים יותר לקירור שמן, מה שיכול להסיר את הצרות של בחירת אטם שמן תוך הבטחת פיזור חום.

04בשל המהירות הגבוהה של המנוע, ניתן לשקול להשתמש במנוע תיל עגול במקום במנוע תיל שטוח כדי להפחית את אובדן ה-AC של הפיתול במהירות גבוהה.

05כאשר מספר עמודי המנוע קבוע, תדירות הפעולה של המנוע עולה עקב העלייה במהירות. על מנת להפחית את ההרמוניות הנוכחיות, יש צורך להגדיל את תדירות המיתוג של מודול הכוח. לכן, בקר SiC עם התנגדות בתדר מיתוג גבוה הוא שותף טוב למנועים מהירים.

06על מנת להפחית את אובדן הברזל במהירות גבוהה, יש צורך לשקול את הבחירה של חומרים פרומגנטיים עם אובדן נמוך וחוזק גבוה.

07יש לוודא שהרוטור לא יכול להינזק עקב מהירות מופרזת של פי 1.2 מהמהירות המרבית, כגון אופטימיזציה של גשר הבידוד המגנטי, ציפוי סיבי פחמן וכו'.

 

微信图片_20230419181847
תמונת אריגת סיבי פחמן

 

לְסַכֵּם

 

 

העלייה במהירות המנוע יכולה לחסוך את עלות המנוע, אך גם את עליית העלות של רכיבים אחרים צריך לקחת בחשבון באיזון.מנועים מהירים יהיו כיוון הפיתוח של מערכות הנעה חשמליות. זו לא רק דרך לחסוך בעלויות, אלא גם שיקוף של הרמה הטכנית של הארגון.הפיתוח והייצור של מנועים מהירים עדיין קשים ביותר. בנוסף ליישום חומרים חדשים ותהליכים חדשים, נדרשת גם רוח המצוינות של מהנדסי חשמל.


זמן פרסום: 19 באפריל 2023