Pojazdy elektryczne składają się głównie z trzech części: układu napędu silnikowego, układu akumulatorów i układu sterowania pojazdem. Silnikowy układ napędowy to część, która bezpośrednio przetwarza energię elektryczną na energię mechaniczną, która określa wskaźniki wydajności pojazdów elektrycznych. Dlatego też dobór silnika napędowego jest szczególnie ważny.
W środowisku ochrony środowiska pojazdy elektryczne stały się w ostatnich latach również gorącym punktem badawczym. Pojazdy elektryczne mogą osiągać zerową lub bardzo niską emisję w ruchu miejskim i mają ogromne zalety w zakresie ochrony środowiska. Wszystkie kraje ciężko pracują nad rozwojem pojazdów elektrycznych. Pojazdy elektryczne składają się głównie z trzech części: układu napędu silnikowego, układu akumulatorów i układu sterowania pojazdem. Silnikowy układ napędowy to część, która bezpośrednio przetwarza energię elektryczną na energię mechaniczną, która określa wskaźniki wydajności pojazdów elektrycznych. Dlatego też dobór silnika napędowego jest szczególnie ważny.
1. Wymagania dla pojazdów elektrycznych dotyczące silników napędowych
Obecnie ocena osiągów pojazdów elektrycznych uwzględnia głównie trzy następujące wskaźniki wydajności:
(1) Maksymalny przebieg (km): maksymalny przebieg pojazdu elektrycznego po całkowitym naładowaniu akumulatora;
(2) Zdolność przyspieszania: minimalny czas potrzebny pojazdowi elektrycznemu na przyspieszenie od zatrzymania do określonej prędkości;
(3) Prędkość maksymalna (km/h): maksymalna prędkość, jaką może osiągnąć pojazd elektryczny.
Silniki zaprojektowane pod kątem właściwości jezdnych pojazdów elektrycznych mają specjalne wymagania eksploatacyjne w porównaniu z silnikami przemysłowymi:
(1) Silnik napędowy pojazdu elektrycznego zwykle wymaga wysokich wymagań dotyczących wydajności dynamicznej w zakresie częstego uruchamiania/zatrzymywania, przyspieszania/zwalniania i kontroli momentu obrotowego;
(2) Aby zmniejszyć masę całego pojazdu, zwykle rezygnuje się z przekładni wielobiegowej, co wymaga, aby silnik mógł zapewnić wyższy moment obrotowy przy niskiej prędkości lub podczas wjazdu na wzniesienie i zwykle wytrzymywał 4-5 razy przeciążenie;
(3) Wymaga się, aby zakres regulacji prędkości był jak największy, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sprawności działania w całym zakresie regulacji prędkości;
(4) Silnik zaprojektowano tak, aby osiągał jak największą prędkość znamionową, a jednocześnie w jak największym stopniu zastosowano obudowę ze stopu aluminium. Szybki silnik ma niewielkie rozmiary, co sprzyja zmniejszeniu masy pojazdów elektrycznych;
(5) Pojazdy elektryczne powinny zapewniać optymalne wykorzystanie energii i posiadać funkcję odzyskiwania energii hamowania. Energia odzyskana w wyniku hamowania regeneracyjnego powinna zasadniczo wynosić 10–20% całkowitej energii;
(6) Środowisko pracy silnika stosowanego w pojazdach elektrycznych jest bardziej złożone i trudne, co wymaga od silnika dobrej niezawodności i zdolności przystosowania się do środowiska, a jednocześnie zapewnienia, że koszt produkcji silnika nie będzie zbyt wysoki.
2. Kilka powszechnie używanych silników napędowych
2.1 Silnik prądu stałego
Na wczesnym etapie rozwoju pojazdów elektrycznych większość pojazdów elektrycznych jako silniki napędowe wykorzystywała silniki prądu stałego. Ten typ technologii silników jest stosunkowo dojrzały, charakteryzuje się łatwymi metodami sterowania i doskonałą regulacją prędkości. Kiedyś był on najczęściej stosowany w dziedzinie silników z regulacją prędkości. . Jednakże ze względu na złożoną konstrukcję mechaniczną silnika prądu stałego, taką jak: szczotki i komutatory mechaniczne, jego chwilowa przeciążalność i dalszy wzrost prędkości obrotowej silnika są ograniczone, a w przypadku długotrwałej pracy struktura mechaniczna silnika silnik będzie generowany, a koszty konserwacji wzrosną. Dodatkowo podczas pracy silnika iskry wydobywające się ze szczotek powodują nagrzewanie się wirnika, marnowanie energii, utrudnianie odprowadzania ciepła, a także powodują zakłócenia elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości, które wpływają na osiągi pojazdu. Ze względu na powyższe wady silników prądu stałego, obecne pojazdy elektryczne zasadniczo wyeliminowały silniki prądu stałego.
2.2 Silnik asynchroniczny prądu przemiennego
Silnik asynchroniczny prądu przemiennego jest rodzajem silnika szeroko stosowanego w przemyśle. Charakteryzuje się tym, że stojan i wirnik są laminowane blachami ze stali krzemowej. Obydwa końce są zapakowane w aluminiowe osłony. , niezawodne i trwałe działanie, łatwa konserwacja. W porównaniu z silnikiem prądu stałego o tej samej mocy, silnik asynchroniczny prądu przemiennego jest bardziej wydajny, a masa jest o około połowę lżejsza. Jeżeli przyjmie się metodę sterowania wektorowego, można uzyskać sterowność i szerszy zakres regulacji prędkości porównywalny z silnikiem prądu stałego. Ze względu na zalety wysokiej sprawności, dużej mocy właściwej i przydatności do pracy z dużymi prędkościami, silniki asynchroniczne prądu przemiennego są najczęściej stosowanymi silnikami w pojazdach elektrycznych dużej mocy. Obecnie silniki asynchroniczne prądu przemiennego są produkowane na dużą skalę i istnieje wiele rodzajów dojrzałych produktów do wyboru. Jednakże w przypadku pracy z dużą prędkością wirnik silnika ulega znacznemu nagrzaniu, a silnik musi być chłodzony podczas pracy. Jednocześnie układ napędowy i sterujący silnika asynchronicznego jest bardzo skomplikowany, a koszt korpusu silnika jest również wysoki. W porównaniu z silnikiem z magnesem trwałym i reluktancją przełączaną. W przypadku silników sprawność i gęstość mocy silników asynchronicznych są niskie, co nie sprzyja poprawie maksymalnego przebiegu pojazdów elektrycznych.
2.3 Silnik z magnesami trwałymi
Silniki z magnesami trwałymi można podzielić na dwa typy w zależności od różnych przebiegów prądu uzwojeń stojana. Jeden to bezszczotkowy silnik prądu stałego, który ma prostokątną falę impulsową; drugi to silnik synchroniczny z magnesami trwałymi, który generuje prąd sinusoidalny. Obydwa typy silników mają zasadniczo taką samą konstrukcję i zasadę działania. Wirniki są magnesami trwałymi, co zmniejsza straty spowodowane wzbudzeniem. Stojan jest wyposażony w uzwojenia generujące moment obrotowy za pomocą prądu przemiennego, dzięki czemu chłodzenie jest stosunkowo łatwe. Ponieważ ten typ silnika nie wymaga instalowania szczotek i mechanicznej struktury komutacyjnej, podczas pracy nie będą generowane żadne iskry komutacyjne, praca jest bezpieczna i niezawodna, konserwacja jest wygodna, a stopień wykorzystania energii jest wysoki.
Układ sterowania silnikiem z magnesami trwałymi jest prostszy niż układ sterowania silnikiem asynchronicznym prądu przemiennego. Jednakże, ze względu na ograniczenia procesu materiału z magnesami trwałymi, zakres mocy silnika z magnesami trwałymi jest niewielki, a maksymalna moc wynosi na ogół tylko dziesiątki milionów, co jest największą wadą silnika z magnesami trwałymi. Jednocześnie materiał magnesu trwałego na wirniku będzie podlegał zjawisku zaniku magnetycznego w warunkach wysokiej temperatury, wibracji i przetężenia, więc w stosunkowo skomplikowanych warunkach pracy silnik z magnesem trwałym jest podatny na uszkodzenia. Co więcej, cena materiałów na magnesy trwałe jest wysoka, więc koszt całego silnika i jego układu sterowania jest wysoki.
2.4 Przełączany silnik reluktancyjny
Jako nowy typ silnika, silnik reluktancyjny przełączany ma najprostszą konstrukcję w porównaniu do innych typów silników napędowych. Zarówno stojan, jak i wirnik są podwójnie wystającymi konstrukcjami wykonanymi ze zwykłych blach ze stali krzemowej. Na wirniku nie ma żadnej konstrukcji. Stojan jest wyposażony w proste skoncentrowane uzwojenie, które ma wiele zalet, takich jak prosta i solidna konstrukcja, wysoka niezawodność, niewielka waga, niski koszt, wysoka wydajność, niski wzrost temperatury i łatwa konserwacja. Co więcej, ma doskonałe właściwości związane z dobrą sterownością systemu kontroli prędkości prądu stałego i nadaje się do trudnych warunków i doskonale nadaje się do stosowania jako silnik napędowy pojazdów elektrycznych.
Biorąc pod uwagę, że elektryczne silniki napędowe pojazdów, silniki prądu stałego i silniki z magnesami trwałymi mają słabą zdolność adaptacji w konstrukcji i złożonym środowisku pracy oraz są podatne na awarie mechaniczne i rozmagnesowania, w artykule skupiono się na wprowadzeniu silników reluktancyjnych z przełączaniem i silników asynchronicznych prądu przemiennego. W porównaniu z maszyną ma oczywiste zalety w następujących aspektach.
2.4.1 Konstrukcja korpusu silnika
Konstrukcja silnika reluktancyjnego przełączanego jest prostsza niż silnika indukcyjnego klatkowego. Jego wyjątkową zaletą jest to, że na wirniku nie ma uzwojenia, a wykonany jest wyłącznie ze zwykłych blach ze stali krzemowej. Większość strat całego silnika koncentruje się na uzwojeniu stojana, co sprawia, że silnik jest prosty w produkcji, ma dobrą izolację, jest łatwy do chłodzenia i ma doskonałe właściwości rozpraszania ciepła. Ta konstrukcja silnika może zmniejszyć rozmiar i wagę silnika i można ją uzyskać przy małej objętości. większa moc wyjściowa. Ze względu na dobrą elastyczność mechaniczną wirnika silnika, silniki reluktancyjne z przełączaniem mogą być stosowane do pracy z bardzo dużymi prędkościami.
2.4.2 Obwód napędu silnika
Prąd fazowy układu napędowego silnika z przełączaną reluktancją jest jednokierunkowy i nie ma nic wspólnego z kierunkiem momentu obrotowego, a do spełnienia czterokwadrantowego stanu pracy silnika można zastosować tylko jedno główne urządzenie przełączające. Obwód przetwornicy mocy jest bezpośrednio połączony szeregowo z uzwojeniem wzbudzenia silnika, a każdy obwód fazowy dostarcza energię niezależnie. Nawet jeśli ulegnie awarii określone uzwojenie fazy lub sterownik silnika, wystarczy jedynie zatrzymać działanie fazy, nie powodując przy tym większego uderzenia. Dlatego zarówno korpus silnika, jak i przetwornica mocy są bardzo bezpieczne i niezawodne, dlatego lepiej nadają się do stosowania w trudnych warunkach niż maszyny asynchroniczne.
2.4.3 Aspekty wydajnościowe układu motorycznego
Silniki reluktancyjne z przełączaniem mają wiele parametrów sterowania i dzięki odpowiednim strategiom sterowania i konstrukcji systemu łatwo jest spełnić wymagania czterokwadrantowej pracy pojazdów elektrycznych, a także mogą utrzymać doskonałą zdolność hamowania w obszarach pracy z dużymi prędkościami. Silniki z przełączaną reluktancją charakteryzują się nie tylko wysoką sprawnością, ale także utrzymują wysoką sprawność w szerokim zakresie regulacji prędkości, co nie ma sobie równych w innych typach silnikowych układów napędowych. Ta wydajność jest bardzo odpowiednia dla pojazdów elektrycznych i jest bardzo korzystna dla poprawy zasięgu pojazdów elektrycznych.
3. Wniosek
Celem artykułu jest przedstawienie zalet przełączanego silnika reluktancyjnego jako silnika napędowego pojazdów elektrycznych poprzez porównanie różnych powszechnie stosowanych układów sterowania prędkością silnika napędowego, co stanowi gorący punkt badawczy w rozwoju pojazdów elektrycznych. W przypadku tego typu silników specjalnych jest jeszcze dużo miejsca na rozwój w zastosowaniach praktycznych. Naukowcy muszą włożyć więcej wysiłku w prowadzenie badań teoretycznych, a jednocześnie konieczne jest połączenie potrzeb rynku w celu promowania stosowania tego typu silników w praktyce.
Czas publikacji: 24 marca 2022 r