Induksjonsmotorer (asynkronmotorer) i elbiler
En induksjonsmotor — også kalt en asynkronmotor — skaper rotorens magnetisme uten permanentmagneter eller separat strømforsyning til rotoren. Den enkle kortslutningsrotoren, det regulerbare feltet og evnen til høye turtall gjør den til et robust alternativ for elektrisk fremdrift.
Slik skaper induksjon dreiemoment
Vekselretteren mater statorens tre faseviklinger med strømmer som er tidsforskjøvet. Sammen danner strømmene et magnetfelt som roterer rundt luftgapet. Feltets rotasjonshastighet bestemmes av den elektriske frekvensen og motorens antall magnetiske poler.
Den vanlige rotoren i en trekkmotor er et kortslutningsbur: ledende staver av aluminium eller kobber går langs det laminerte stålet og kortsluttes i endene av ringer. Det roterende statorfeltet skjærer gjennom stavene og induserer strøm i dem. Strømmen skaper et magnetfelt i rotoren, og samvirket mellom de to feltene produserer dreiemoment.
For at induksjon skal oppstå, må rotoren rotere med en annen hastighet enn statorfeltet. Forskjellen kalles sakking eller slip. Ved motordrift sakker rotoren normalt etter det roterende feltet; ved generatordrift, inkludert regenerativ bremsing, snus det regulerte forholdet slik at mekanisk effekt blir elektrisk effekt.
Sakking er en egenskap, ikke en feil
Sakkingen oppgis ofte som en prosentandel av den synkrone hastigheten. Den endrer seg med behovet for dreiemoment og er ikke det samme som hjulspinn. Ved lav belastning kan den nødvendige elektromagnetiske sakkingen være liten. Høyere dreiemoment krever generelt mer rotorstrøm og en større regulert hastighetsforskjell.
Vekselretteren gjør langt mer enn å legge på en fast AC-forsyning. Vektorstyringen estimerer eller måler rotorfluksen og skiller strømkommandoene som etablerer fluksen, fra dem som skaper dreiemoment. Ved å endre fasestrøm og frekvens kontinuerlig kan styringen gi jevnt dreiemoment fra stillestående og gjennom feltsvekkingsområdet.
Trefasedrift skaper et jevnt roterende felt, men fjerner ikke behovet for reduksjonsgir. De fleste drivenheter med induksjonsmotor reduserer fortsatt motorakselens høye turtall før dreiemomentet overføres til hjulene.
Rotorkonstruksjon og varme
Induksjonsmotorer i elektriske personbiler bruker normalt en kortslutningsrotor fordi den ikke har børster, sleperinger, magneter eller isolerte rotorviklinger. Det finnes induksjonsmaskiner med viklet rotor, men de er ikke den vanlige arkitekturen i en moderne drivenhet for elektriske personbiler og må ikke forveksles med en elektrisk eksitert synkronmotor.
Fraværet av rotormagneter forenkler materialforsyningen, men induksjon betyr ikke tapsfri magnetisering. Statorstrømmen må etablere feltet i luftgapet og overføre effekt til rotoren. Den elektriske motstanden i buret omdanner en del av den induserte rotorstrømmen til varme. Ved høy belastning kan det være en av drivenhetens største termiske utfordringer å lede denne varmen bort fra en roterende komponent.
Styrker i en elbil
En induksjonsrotor er mekanisk enkel og kan tåle høye turtall når bur, lamineringer, aksel og lagre er konstruert for belastningene som oppstår. Det er ingen risiko for avmagnetisering av permanentmagneter, og rotoren inneholder ingen magneter med sjeldne jordarter.
Vekselretteren kan redusere maskinens fluks når det trengs lite dreiemoment. Når en induksjonsmotor på en sekundær aksel gjøres strømløs, kan den rotere med lav elektromagnetisk motstand fordi den ikke har et permanent rotorfelt. Tap i lagre, tetninger og gir, fra omrøring av olje samt gjenværende elektromagnetiske tap består, så «ingen motstand» må ikke forstås bokstavelig.
Induksjonsmotorer kan også tåle korte overbelastninger når vekselretter, batteri og kjølesystem har tilstrekkelig margin. Det er nyttig ved korte akselerasjoner, men temperaturen — ikke ordet «induksjon» — setter den repeterbare grensen.
Begrensninger og konstruksjonsmessige avveininger
Kobbertap i rotoren og magnetiseringsstrømmen fra statoren kan ved enkelte driftspunkter redusere systemets virkningsgrad og effektfaktor sammenlignet med en godt optimalisert permanentmagnetdrift. De øker også vekselretterstrømmen for en gitt akseleffekt.
Sammenligningene avhenger av kartet. En induksjonsmotor er ikke i seg selv ineffektiv ved høyt turtall, og en permanentmagnetmotor er ikke automatisk bedre overalt. Rotorkonstruksjon, elektrisk stål, luftgap, kjøling, svitsjestrategi, girutveksling og kjøretøyets driftssyklus bestemmer resultatet.
Nøyaktig styring avhenger også av estimering av rotortemperatur og parametere fordi motstanden i buret endrer seg når rotoren blir varm. Styringen må holde fluks og dreiemoment stabile uten direkte elektrisk tilgang til rotoren.
Slik bruker produsentene induksjonsmotorer
En induksjonsmotor kan være hovedmotoren eller en boostmotor på en annen aksel. Audis PPE-drivsystem er et tydelig eksempel på en blandet motorløsning: En permanentmagnet-synkronmotor står for den primære driften av bakakselen, mens en induksjonsmotor foran aktiveres når det trengs ekstra ytelse eller veigrep. Når frontmotoren er inaktiv, kan den rotere med lav motstand.
Denne oppbygningen er et systemvalg, ikke en universell regel. Kjøretøyets reelle virkningsgrad avhenger av hvor ofte hver aksel arbeider, om det finnes en clutch, tapene i gir og dekk og hvordan styringsprogramvaren velger driftspunkter.
Tilbake til Electric Motors and Drive Units.