Sähköautomoottorien rakenne ja käämitykset
Moottoritopologia kertoo, miten momentti tuotetaan, mutta rakenne ratkaisee, tuleeko ideasta tehokas, hiljainen ja kestävä ajomoottori. Staattoriurat, käämit, lamellit, roottoriesteet, magneetit, ilmavälit, eristys, liitokset, laakerit ja jäähdytys toimivat yhtenä sähkömagneettisena ja mekaanisena järjestelmänä.
Staattori
Staattorissa on laminoitu teräsydin ja eristetyt johtimet vaihekäämeinä. Hampaat johtavat vuon ilmavälin yli, urat pitävät kuparin ja uria ympäröivä selkärauta sulkee magneettireitin ja kantaa kuormia.
Ydin tehdään ohuista sähköteräslamelleista, ei kiinteästä sylinteristä. Eristetyt kerrokset katkaisevat pyörrevirrat, jotka kuumentaisivat kentän muuttuessa. Ohuemmat lamellit vähentävät suurtaajuushäviötä, mutta maksavat enemmän ja vaativat tarkan pinoamisen, liitoksen ja tuennan.
Uran muoto tasapainottaa tarpeita. Enemmän kuparia vähentää vastusta mutta jättää vähemmän rautaa vuolle. Kapea suu parantaa kenttää ja joitakin harmonisia mutta vaikeuttaa käämin asennusta. Hammaskyllästys, hajavuo, jäähdytyspääsy, eristys ja valmistus määräävät geometrian.
Hajautetut ja keskitetyt käämitykset
Hajautettu käämitys jakaa vaihekäämin useaan uraan. Se voi tuottaa tasaisen kentän vähäisin harmonisin, mutta pitkät kääminpäät lisäävät vastusta ja massaa ilman hyödyllistä momenttia.
Keskitetty käämitys ympäröi yhden tai muutaman hampaan. Lyhyet päät ja modulaarinen tuotanto ovat houkuttelevia, mutta magnetomotorisessa voimassa voi olla voimakkaampia tilaharmonisia. Ilman urien, napojen ja käämien yhteensovittamista roottorihäviö, momenttiväre, tärinä ja ääni kasvavat.
”Hajautettu” ja ”keskitetty” eivät kuvaa johtimen muotoa. Molemmat käyttävät erilaisia lankoja ja liitoksia.
Säikeinen lanka, hairpin ja muotojohtimet
Perinteinen käämitys käyttää kelalta tulevaa pyöreää emalilankaa. Useita hienoja säikeitä voidaan käämiä yhdessä, mikä joustaa urantäytössä ja rajoittaa suurtaajuista virransiirtymää.
Hairpin käyttää esimuotoiltuja suorakulmaisia kuparitankoja, jotka asennetaan ja hitsataan jatkuvaksi piiriksi. Muoto antaa suuren täytön, lyhyet päät, toistettavan automaation ja hyvän jäähdytyskontaktin. Porsche ilmoittaa lähes 70% kuparitäytön verrattuna noin 50%:iin mainitussa tavanomaisessa rakenteessa.
Suuri täyttö ei yksin mittaa hyötysuhdetta. Suurella taajuudella pinta- ja läheisyysvaikutus jakavat vaihtovirran epätasaisesti suuressa johtimessa; AC-vastus voi olla paljon DC-arvoa suurempi. Ohuemmat johtimet, rinnakkaisreitit, transponointi, segmenttitangot, asettelu ja kytkentä auttavat. Jokainen johdin ja hitsi lisää eristys-, laatu- ja tuotantohaasteita.
I-pin ja muut muototangot muuttavat asennusta ja liitosta, mutta säilyttävät kompromissin: tiheä automatisoitava kupari vastaan AC-häviö ja liitosmonimutkaisuus.
Ura- ja napayhdistelmät
Mekaaninen nopeus ei ole sähkötaajuus. Staattorikenttä täydentää syklin aina napaparin ohittaessa; taajuus kasvaa nopeuden ja napaparien mukana.
Useammat navat voivat lyhentää magneettireittejä ja muuttaa kääminpäitä, momenttitiheyttä ja mittasuhteita. Ne nostavat myös taajuutta samalla nopeudella, kytkentävaatimuksia ja taajuushäviöitä. Uramäärä vaikuttaa käämityskertoimeen, väreeseen, hakumomenttiin, säteisvoimaan ja roottoriharmonisiin.
Yleispätevää yhdistelmää ei ole. Optimi riippuu topologiasta, huippunopeudesta, vaihtosuuntaajataajuudesta, momentista, akustiikasta, prosessista ja toleransseista.
Roottorin rakenne
Induktioroottori käyttää päätyrenkailla yhdistettyjä johtotankoja häkkinä laminoidussa ytimessä. Materiaali, uramuoto, rengasvastus, viistous ja jäähdytys määräävät käynnistyksen, jättämän, häviöt ja harmoniset.
Pintamagneettiroottori sijoittaa magneetit lähelle ulkohalkaisijaa. Reitti on lyhyt, mutta kiinnityksen keskipakovoimaa vastaan on oltava luotettava. Holkkien, nauhojen, liimojen, napakenkien tai yhdistelmien on kestettävä huippunopeus, lämpöjaksot ja viat.
Sisämagneettiroottori asettaa magneetit terässiltojen ja vuoesteiden taakse. Esteet luovat avonapaisuuden ja reluktanssimomentin, sillat pitävät segmentit. Ohuet sillat parantavat sähkömagnetiikkaa, mutta kuormittuvat ja voivat kyllästyä. Segmentointi vähentää pyörrevirtahäviötä mutta vaikeuttaa kokoonpanoa.
Sähköisesti herätetyt roottorit lisäävät kuparikäämit ja herätystehon siirron. Synkroninen tai kytketty reluktanssi välttää käämit ja magneetit, mutta esteet tai navat tarvitsevat mekaanista lujuutta.
Ilmaväli, tasapaino ja huippunopeus
Ilmaväli on sähkömagneettisesti kallis, koska ilma on terästä heikommin permeoivaa. Pieni väli parantaa kytkentää ja vähentää magnetointivirtaa, mutta sietää vähemmän taipumaa, laakerivälystä, lämpölaajenemista, tuotantovaihtelua ja törmäyskuormaa.
Nopeat roottorit kokevat suuren keskipakojännityksen. Lamellit, magneetit, sillat, holkit, akselit ja liitokset analysoidaan käytössä, ylinopeudella ja vioissa. Tasapainon on säilyttävä lämpötilassa ja nopeudessa: pieni epäkeskeisyys aiheuttaa laakerikuormaa, tärinää, ääntä ja epätasaista vetoa.
Huippunopeus yhdistää roottorijännityksen, laakerinopeuden, vaihtosuuntaajajännitteen, käämitystaajuuden, rautahäviön, voitelun ja ohjauksen; kyse ei ole vain repeämisen välttämisestä.
Eristys ja lämpöreitit
Johtimet tarvitsevat eristyksen kierrosten, vaiheiden ja ytimen välillä. Uravuoraukset, emali, hartsi, muottiosat, liittimet ja hitsit kestävät jännitepiikit, tärinän, nesteen tai öljyn ja lämpöjaksot.
Lämpö ylittää monta rajapintaa. Kupari-eristyskontakti, impregnointi, ydinkontakti, kotelosovite, öljykostutus ja kanavien sijainti voivat merkitä yhtä paljon kuin johtavuus. Ontelot tai epätasaiset liitokset muuttuvat kuumiksi kohdiksi, jotka rajoittavat jatkuvaa tehoa.
Suora öljyjäähdytys saavuttaa käämit tai roottoriosat, joita vesivaippa jäähdyttää epäsuorasti. Se lisää pumppaus- ja tuuletushäviötä, tiivistystä, yhteensopivuutta, suodatusta ja sähköeristysvaatimuksia.
Valmistuslaatu kuuluu suunnitteluun
Valikoiduista osista tehty prototyyppi ei todista sarjaprosessia. Lamellipurseet, pinon kohdistus, magneettien sijainti, hitsaus, hartsitäyttö, ilmavälivaihtelu, tasapaino, anturit ja puhtaus vaikuttavat häviöön, ääneen ja luotettavuuteen.
Suunnittelijat optimoivat siksi tilastollisen prosessikyvyn nimellissimulaation lisäksi. Pienen teoreettisen edun uhraaminen voi tuottaa paremman auton, jos kokoonpano, tarkastus, jäähdytys ja toleranssit ovat helpompia.
Jatka moottorisarjaa
Palaa sivulle Electric Motors and Drive Units tai vertaa valintoja artikkeleissa induction motors ja permanent-magnet synchronous motors.