Reluktanssimoottorit sähköautoissa
Reluktanssimoottori tuottaa vääntömomenttia vetämällä magneettisesti epäsymmetristä roottoria asentoon, jossa magneettivuo pääsee kulkemaan helpointa reittiä. Periaatetta käytetään magneetittomissa synkronisissa ja kytketyissä reluktanssikoneissa sekä kestomagneettiavusteisissa rakenteissa.
Reluktanssi on magneettinen ominaisuus
Magneettinen reluktanssi vastustaa magneettivuota magneettipiirissä. Suuren permeabiliteetin sähköteräksessä reluktanssi on pienempi kuin ilmassa tai vuoesteessä. Kun roottorin magneettiset ominaisuudet riippuvat suunnasta, virrallinen staattorikenttä tuottaa momentin, joka pyrkii suuntaamaan roottorin pienen reluktanssin akselin kentän mukaiseksi.
Moottorinohjauksessa roottori kuvataan kahdella kohtisuoralla magneettiakselilla. Ulkonaparoottorin suoran d-akselin ja poikittaisen q-akselin induktanssit eroavat toisistaan. Ero mahdollistaa reluktanssimomentin tuottamisen staattorivirralla. Kestomagneetteja ei tarvita, mutta niillä voidaan yhdistää magneetti- ja reluktanssimomentti.
Reluktanssi ei siksi ole vain yhden tuotetyypin nimi, vaan momenttimekanismi, joka vaikuttaa merkittävästi myös monissa sisämagneettisissa permanent-magnet synchronous motors-moottoreissa.
Synkroniset reluktanssimoottorit
Synkroninen reluktanssimoottori eli SynRM käyttää laminoitua teräsroottoria, jonka vuoesteet tai muu geometria luovat suuren magneettisen avonapaisuuden. Vaihtosuuntaaja muodostaa pyörivän staattorikentän, jota roottori seuraa synkroninopeudella.
Roottori voi olla ilman magneetteja, käämejä, liukurenkaita ja häkkijohtimia. Tämä voi pienentää materiaalikustannuksia ja roottorin lämpöä sekä sallia suuren pyörimisnopeuden. Ilman kestomagneettivuota jännitteetön moottori ei myöskään synnytä samanlaista vastasähkömotorista voimaa kuin kestomagneettikone.
Momentti riippuu kuitenkin d- ja q-akselien induktanssieron suuruudesta. Vuoesteet kasvattavat eroa, mutta vähentävät roottorin terästä, vaikeuttavat mekaanista suunnittelua ja voivat rajoittaa momenttitiheyttä. Tehokerroin ja vaihtosuuntaajan virrantarve voivat myös olla kestomagneettikonetta heikommat.
Kestomagneettiavusteinen synkroninen reluktanssi
Kestomagneettiavusteinen rakenne lisää avonapaiseen roottoriin suhteellisen vähän magneettimateriaalia. Magneetit tuottavat momenttia, parantavat tehokerrointa ja voivat laajentaa tehokasta toiminta-aluetta, kun geometria tuottaa edelleen suuren reluktanssimomentin osuuden.
Tämän perheen ja sisämagneettisen synkronimoottorin välillä ei ole tarkkaa fysikaalista rajaa. Samankaltaisia roottoreita voidaan nimetä eri tavoin korostettaessa magneetteja, reluktanssia tai vähäisempää harvinaisten maametallien käyttöä. Oleellisia ovat kummankin mekanismin momenttiosuus, magneettimäärä ja koko moottorin nopeus-momenttikartta.
Kytketyt reluktanssimoottorit
Kytketyssä reluktanssimoottorissa eli SRM:ssä sekä staattorissa että roottorissa on ulkonevat navat. Roottori on tavallisesti käämitön ja magneettiton sähköteräslamellipakka. Keskitetyt staattorikelat kytketään vuorotellen, jolloin kukin roottorinapa vedetään kohdakkain; vaihevirtaa on pienennettävä ennen kohdistusta, jos jatkuva virta synnyttäisi jarrutusmomentin.
Periaate poikkeaa useimpien kolmivaiheisten ajomoottorien lähes sinimuotoisesta pyörivästä kentästä. SRM käyttää usein epäsymmetristä muunninta, joka magnetoi ja demagnetoi vaiheet erikseen. Roottorin asento ja tarkasti ajoitettu virransäätö ovat tehokkaan vedon ja regeneroinnin edellytyksiä.
Yksinkertainen roottori kestää kuumuutta ja suurta nopeutta, ja sähköisesti erilliset vaiheet voivat tarjota vikasietoisuutta. Haasteita ovat momenttiväre, vaihteleva säteisvoima, ääni, epälineaarinen kyllästyminen sekä muuntimen jännite- ja virtavaatimukset, jotka on suunniteltava yhdessä moottorin kanssa. Yksinkertainen roottori ei tee koko voimansiirrosta yksinkertaista.
Momenttiväre ja akustinen käyttäytyminen
Reluktanssimomentti muuttuu napojen siirtyessä kohdakkain ja erilleen. Jos vaihemomentteja ei yhdistetä tasaisesti, akseli värähtelee. Muuttuvat säteittäiset magneettivoimat voivat herättää staattorin, kotelon ja kiinnitysten resonansseja ja aiheuttaa tonaalista ääntä, vaikka keskimääräinen akselimomentti olisi vakaa.
Vaikutuksia hallitaan kokonaisuutena:
- napojen muodot muuttavat momentin ja säteisvoiman aaltomuotoja;
- viistous, segmentointi ja napakaaren valinta hajauttavat voimaharmonisia;
- virtaprofiili ja päällekkäinen vaihejohtaminen tasoittavat kokonaismomenttia;
- kytkentästrategia siirtää tai vähentää häiritseviä taajuuskomponentteja;
- kotelon jäykkyys ja eristys estävät sähkömagneettisten voimien muuttumisen matkustamoääneksi.
Yhden oireen vähentäminen voi pahentaa toista. Suurempi vaihelimitys tasoittaa momenttia mutta lisää kuparihäviötä, ja tärinää vähentävä geometria voi vaikuttaa momenttitiheyteen tai vaihtosuuntaajan mitoitukseen. Paras tulos vaatii sähkömagnetiikan, muuntimen, ohjauksen, rakenteen ja jäähdytyksen yhteisoptimointia.
Reluktanssikoneiden käyttö sähköautoissa
Ne ovat houkuttelevia, kun magneettien saatavuus, roottorin lämpötila, lujuus suurella nopeudella tai vikasietoisuus painavat paljon. Magneetittomat ratkaisut välttävät myös kestomagneettien laahausmomentin ja tyhjäkäyntijännitteen, vaikka laakeri-, tiiviste-, vaihde- ja öljyhäviöt säilyvät.
Ne eivät aina ole edullisempia tai kestävämpiä. Lisäteräs, kupari, puolijohdekapasiteetti, meluntorjunta tai tuotannon monimutkaisuus voivat kumota magneettisäästön. Vertailussa on käytettävä samaa momentti-nopeusaluetta, jäähdytystä, tasajännitettä, vaihtosuuntaajan rajoja, käyttöjaksoa ja tuotantomäärää.
Ostajalle moottorin nimike kertoo vähän. Hyödyllisiä ovat voimansiirtoyksikön hyötysuhdekartta, jatkuva teho, melu ja massa sekä auton energiankulutus.
Jatka moottorisarjaa
Palaa sivulle Electric Motors and Drive Units, jossa käsitellään moottorityypit, rakenne, ohjaus, jäähdytys, vaihteet ja testaus.