Site Loader
Posted on 06.01.2023

Секрет успеха новых технологий синхронных двигателей электрокаров

В Tesla Model Y, как и в Model 3, используется синхронный двигатель для задних колес, которые являются основными ведущими колесами, а для передних — асинхронный двигатель.

 

 

Асинхронный двигатель переменного тока (изобретение самого Николы Теслы) не требует постоянных магнитов. Вместо этого магнитное поле создается током, который протекает через обмотки в статоре.

 

Но если применить ротор с постоянными магнитами, то больше не нужно индуктировать ток для создания магнитного поля в роторе. Это позволяет избежать потерь и тепловыделения в роторе. Поэтому двигатели с постоянными магнитами в настоящее время являются самыми маленькими и легкими электродвигателями. Так как ротор уже намагничен, он всегда синхронизирован с вращающимся магнитным полем. Вот почему двигатели с постоянными магнитами также относятся к синхронным двигателям.

 

В большинстве приводных двигателей электромобилей (EV) и гибридных транспортных средств (HEV) используются синхронные двигатели с постоянными магнитами. Раньше Tesla всегда использовала асинхронные двигатели, но теперь также использует синхронные двигатели с постоянными магнитами.

 

Асинхронные и синхронные двигатели вращаются за счет силы взаимодействия магнитного поля статора и магнитного поля ротора. Статор отвечает за создание вращающегося магнитного поля, взаимодействующего с магнитным полем ротора.

 

Магнитное поле ротора может быть создано разными способами: в двигателях постоянного тока используются катушки под напряжением, в асинхронных двигателях переменного тока — короткозамкнутые роторы, а в синхронных двигателях переменного тока — постоянные магниты.

 

Обычные постоянные магниты недостаточно сильны. Хотя их также можно использовать в роторах двигателей, они обладают слабой движущей силой и не подходят для приводных двигателей автомобилей. Но в 1980-х гг. появились супермагниты NdFeB, магнетизм которых был очень сильным. Так, большие неодимовые железо-борные магниты один человек способен был переносить только по отдельности — по одному. Если бы он случайно приблизился к другому магниту, силы притяжения было бы достаточно, чтобы сломать кости руки рабочего.

 

Однако стоимость магнитов NdFeB высока, и они боятся высоких температурных потерь. Чтобы улучшить их температурные характеристики, добавляют редкоземельный «диспрозий», но стоимость магнита еще больше повысилась.

 

Очень важным параметром синхронного двигателя является угол между магнитным полем статора и магнитным полем ротора, как показано на рисунке для углов оси N и оси S. Когда угол составляет 45 градусов (механический угол), сила тяги (или вращающий момент) является наибольшим.

 

Следовательно, для того чтобы синхронный двигатель мог получить максимальный крутящий момент, необходимо управлять вращающимся магнитным полем статора так, чтобы оно всегда двигалось на 45 градусов перед магнитным полем ротора. Это управление непростое и требует большого количества схемотехнических решений. Необходимо постоянно определять угол и скорость ротора, а затем рассчитывать напряжение, ток и фазу трехфазного электричества, которое генерирует вращающееся магнитное поле.

 

Продолжение статьи читайте в ноябрьском номере журнала «Наука и техника» за 2021 год.  Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.

 

В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.

Запуск синхронного привода

 

Если запуск асинхронного двигателя сопряжен с определенными проблемами, то синхронный двигатель, вообще не в состоянии развить необходимый механический момент даже для запуска на холостом ходу. Причина заключается в том, что электромагнитный момент для его неподвижного ротора непрерывно меняет свое направление. При этом ротор, обладая большой инерцией, не может прийти в движение и двигатель не способен «двигать» даже себя.

Для того, чтобы он смог развить номинальный крутящий момент, необходимо, чтобы ротор уже вращался со скоростью, близкой к скорости вращения электромагнитного поля статора. Тогда на обмотку возбуждения ротора подается постоянный ток и магнитное поле «втягивает» электродвигатель в «синхронизм».

Получается, что для того, чтобы запустить синхронный привод, необходимо, прежде всего, разогнать рабочий вал двигателя. Постоянное напряжение для обмотки возбуждения можно обеспечить, установив на общем валу генератор постоянного тока.

Для разгона ротора «синхронника» долгое время применялись исключительно отдельные электрические машины на общем механическом валу. Упрощенно: работает такая схема просто: включается асинхронный двигатель, по достижении момента, когда скорость станет близкой к синхронной, и подается напряжение на статор и обмотку возбуждения приводного двигателя.

Другой вариант – это использование синхронного двигателя со специальной, пусковой короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка имеет вид «беличьей клетки», но выполняется она не из меди, как у асинхронных машин, а из латуни, чтобы ограничить пусковой ток. «Беличья клетка» позволят электромотору запуститься асинхронно, а по достижении подсинхронной скорости перейти на нормальный режим работы.

Во время асинхронного пуска двигателя его обмотка возбуждения должна быть замкнута на резистор с активным сопротивлением, превышающим активное сопротивление самой обмотки в 8-12 раз.

Это необходимо потому, что электромагнитным полем статора в обмотке возбуждения при пуске наводится ЭДС большого значения, которая может пробить изоляцию витков, не будучи разряженной. Реже, обмотку возбуждения замыкают на якорь генератора-возбудителя, когда есть основания полагать, что он однозначно выдержит пусковую нагрузку.

Оба приведенных способа пуска отличаются технической сложностью и затратностью. Требуется установка дополнительных электрических машин – в случае с пусковым двигателем их целых три. Кроме того, требуется монтаж дополнительного электрооборудования, обеспечивающего своевременную подачу переменного трехфазного напряжения и постоянного напряжения возбуждения.

Схема с пусковой «беличьей клеткой» усложняет конструкцию электродвигателя. Тем не менее, именно она имеет сегодня самое широкое распространение.

И схема с гонным пусковым двигателем, и схема с пусковой обмоткой работают с гораздо большей эффективностью при частотном пуске, когда асинхронный пуск или пусковой двигатель управляются частотным преобразователем.

Но, обе схемы не могут обеспечить пуск синхронного двигателя с существенным моментом сопротивления на валу. При использовании пускового асинхронного двигателя наличие на валу нагрузки повлечет за собой необходимость в неоправданно большой мощности гонного двигателя.

А при использовании пусковой обмотки из латуни мягкая механическая характеристика не позволит ротору разогнаться до подсинхронной скорости. Поэтому для облегчения пуска синхронного двигателя лучше снять всякую нагрузку с приводного вала.

Это обстоятельство и ограничивает сферы применения синхронных двигателей. Они используются в мощных приводах, работающих продолжительное время при постоянной нагрузке, без частых пусков и остановов.

Это может быть привод шахтной вентиляционной установки, привод крупного насосного агрегата, привод электромашинного преобразовательного агрегата. Преимущества синхронных приводов здесь в том, что они могут работать с очень высоким коэффициентом мощности, а для мощных приводов это решающий фактор.

Защита двигателя для различных типов синхронных и асинхронных двигателей. Реле защиты (Продукты защиты и управления для распределения электроэнергии)

Защита двигателя используется для предотвращения повреждения электродвигателя, например, внутренних неисправностей двигателя. Также необходимо обнаруживать внешние условия при подключении к электросети или во время использования и предотвращать ненормальные условия. Кроме того, реле защиты предотвращает распространение возмущения обратно в сеть.

Схемы защиты двигателя имеют несколько функций защиты, которые необходимо учитывать:

  • Номинальная мощность двигателя и тип
  • Характеристики питания, такие как напряжение, фазы, метод заземления и доступный ток короткого замыкания
  • Вибрация, крутящий момент и другие механические ограничения
  • Природа процесса
  • Окружающая среда двигателя, соответствующее коммутационное устройство
  • Допустимое время блокировки ротора в горячем и холодном состоянии и допустимое время разгона
  • Кривая зависимости времени от тока при запуске двигателя
  • Частота запуска

Реле защиты обеспечивают основную защиту синхронных и асинхронных двигателей. Их можно использовать для двигателей с автоматическим выключателем и контактором в различных приводных устройствах, таких как приводы для насосов, вентиляторов, компрессоров, мельниц и дробилок.

Область применения

  • Защита и управление двигателем для различных приводов

Преимущества продукта

  • Предотвращение повреждения электродвигателей
  • Предотвращает распространение помех обратно в сеть

Характеристики продукта

  • Стандартная конфигурация для конкретного применения, позволяющая сократить время настройки и ввода реле в эксплуатацию
  • Предварительно сконфигурированные решения для распределительных сетей и промышленного применения

Наше предложение

Показано предложение для: AlgeriaAngolaArgentinaArmeniaAustraliaAustriaAzerbaijanBahrainBangladeshBelgiumBoliviaBosnia-HerzegovinaBrazilBulgariaCanadaChileChinaColombiaCroatiaCzech RepublicDenmarkEcuadorEgyptEstoniaEthiopiaFinlandFranceGeorgiaGermanyGreeceGuatemalaHungaryIcelandIndiaIndonesiaIraqIrelandIsraelItalyJapanJordanKazakhstanKenyaKuwaitKyrgyzstanLatviaLebanonLibyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacedoniaMalaysiaMauritiusMexicoMontenegroMoroccoNetherlandsNew ZealandNigeriaNorwayOmanPakistanPalestinePanamaPeruPhilippinesPolandPortugalQatarRomaniaRussiaSaudi ArabiaSerbiaSingaporeSlovakiaSloveniaSouth AfricaSouth KoreaSpainSri LankaSwedenSwitzerlandTaiwanTajikistanTanzaniaThailandTunisiaTurkiyeTurkmenistanUgandaUkraineUnited Arab EmiratesUnited KingdomUnited States of AmericaUruguayUzbekistanVenezuelaVietnamOther countries

Загрузка документов

Сопутствующее предложение

Услуги релейной защиты

Асинхронные двигатели — CEDS DURADRIVE GmbH Зальцберген

Асинхронные двигатели

прочный и надежный

Наиболее часто используемый трехфазный двигатель — это асинхронный двигатель. Основными причинами этого являются его простая и надежная конструкция, а также высокая эксплуатационная надежность и чрезвычайно низкие затраты на техническое обслуживание и ремонт.
Благодаря своей простой конструкции асинхронный двигатель также может быть изготовлен с низкой стоимостью и поэтому особенно подходит для больших объемов.

Асинхронный двигатель в основном состоит из статора и вращающейся части, ротора, разделенных воздушным зазором. Статор обычно имеет симметрично распределенную трехфазную обмотку, встроенную в магнитомягкий, ламинированный в осевом направлении пакет статора. По обмотке асинхронного двигателя пропускают переменные токи, сдвинутые друг относительно друга на 120° градусов. Это приводит к образованию вращающегося кругового поля, оказывающего индуктивное воздействие на ротор.

Из-за широко распространенной и недорогой технологии преобразователя частоты, используемой сегодня, ротор почти всегда представляет собой короткозамкнутый ротор с короткозамкнутым ротором, также известный как ротор с короткозамкнутым ротором.

Версии роторов с контактными кольцами для управления крутящим моментом встречаются на рынке очень редко. Они значительно дороже, а также подвержены износу и требуют большего обслуживания. Материал сепаратора из алюминиевого сплава впрессован в аксиально-ламинированный корпус ротора, который также является магнитно-мягким и имеет канавки. Использование меди в качестве материала сепаратора дает возможность из-за ее прибл. В 1,7 раза более высокая проводимость, чтобы значительно снизить текущие тепловые потери в роторе и, таким образом, построить более эффективные, возможно, асинхронные двигатели меньшего размера с меньшим потреблением тока. Сегодня медные роторы могут быть изготовлены только машинным способом до ограниченного размера, и они дороже, чем литые под давлением алюминиевые роторы.

Другим важным аспектом, который следует учитывать при выборе асинхронного двигателя в качестве концепции привода, является его тепловыделение. С помощью асинхронных двигателей с жидкостным охлаждением от CEDS DURADRIVE можно реализовать приводы с повышенной удельной мощностью по сравнению с двигателями с обычным охлаждением. Требуемый объем установки и, возможно, общий вес двигателя с жидкостным охлаждением значительно ниже, чем у машины с поверхностным охлаждением с идентичным крутящим моментом при той же скорости. Вариант вентиляции с открытым контуром представляет собой дополнительное увеличение для создания более высоких продолжительных крутящих моментов.

С помощью индивидуальной геометрии листового металла, разработанной и адаптированной к применению, можно спроектировать асинхронные двигатели, которые могут быть сильно перегружены в течение коротких периодов времени. Они генерируют пиковый крутящий момент, значение которого до четырех раз превышает номинальный крутящий момент.

Асинхронные двигатели CEDS DURADRIVE могут быть настроены механически и электрически в соответствии с конкретными требованиями. Они также могут быть адаптированы к спецификациям наших клиентов в отношении влияния окружающей среды и требований законодательства.

Поэтому высокие требования к классу защиты до IP 6K8K, чрезвычайно высокие требования к защите поверхности или сертификаты ATEX, DNV GL или Bureau Veritas для нас не редкость.

Асинхронные двигатели CEDS имеют следующие особенности:

  • Низкие эксплуатационные расходы
  • Длительный срок службы
  • Компактные формы конструкции
  • Индивидуальные типы конструкции
  • Высокая перегрузочная способность благодаря высокому крутящему моменту
  • Большой диапазон ослабления поля при постоянной мощности
  • Защита от перегрузки с помощью датчика температуры в обмотке или на подшипнике
  • Усиленная изоляция обмотки для повышения диэлектрической прочности и, следовательно, лучшей устойчивости к частичным разрядам внутри обмотки
  • Исполнение с низким уровнем шума
  • Высокий число оборотов может быть представлено
  • Регулируется с помощью датчика положения и преобразователя частоты
  • Ротор без напряжения, поэтому может работать в жидкостях, газах и вакууме
  • Благоприятные производственные затраты

Области применения

Параметры Асинхронные двигатели
Размер Стандарт IEC или выше в соответствии с Transnorm
Мощность (П) от 100 Вт до 500 кВт
Поворотный момент от 1 до 4000 Нм
Скорость до 30 000 об/мин.
Диапазон напряжения от 12 до 690 В переменного тока
Эффективность до 95 %
Удельная мощность Средняя