I veicoli elettrici sono composti principalmente da tre parti: sistema di azionamento del motore, sistema di batterie e sistema di controllo del veicolo.Il sistema di azionamento del motore è la parte che converte direttamente l'energia elettrica in energia meccanica, che determina gli indicatori di prestazione dei veicoli elettrici.Pertanto la scelta del motore di azionamento è particolarmente importante.
Nell’ambito della tutela ambientale, negli ultimi anni anche i veicoli elettrici sono diventati un punto caldo della ricerca.I veicoli elettrici possono raggiungere emissioni zero o molto basse nel traffico urbano e presentare enormi vantaggi nel campo della protezione ambientale.Tutti i paesi stanno lavorando duramente per sviluppare veicoli elettrici.I veicoli elettrici sono composti principalmente da tre parti: sistema di azionamento del motore, sistema di batterie e sistema di controllo del veicolo.Il sistema di azionamento del motore è la parte che converte direttamente l'energia elettrica in energia meccanica, che determina gli indicatori di prestazione dei veicoli elettrici.Pertanto la scelta del motore di azionamento è particolarmente importante.
1. Requisiti per i veicoli elettrici per motori di trazione
Attualmente la valutazione delle prestazioni dei veicoli elettrici considera principalmente i seguenti tre indicatori di prestazione:
(1) Chilometraggio massimo (km): il chilometraggio massimo del veicolo elettrico dopo che la batteria è completamente carica;
(2) Capacità di accelerazione (s): il tempo minimo richiesto affinché un veicolo elettrico acceleri da fermo a una determinata velocità;
(3) Velocità massima (km/h): la velocità massima che può raggiungere un veicolo elettrico.
I motori progettati per le caratteristiche di guida dei veicoli elettrici hanno requisiti prestazionali speciali rispetto ai motori industriali:
(1) Il motore di azionamento del veicolo elettrico richiede solitamente elevati requisiti di prestazioni dinamiche per frequenti avviamenti/arresti, accelerazioni/decelerazioni e controllo della coppia;
(2) Per ridurre il peso dell'intero veicolo, la trasmissione a più velocità viene solitamente annullata, il che richiede che il motore possa fornire una coppia più elevata a bassa velocità o in salita, e solitamente possa resistere 4-5 volte il sovraccarico;
(3) L'intervallo di regolazione della velocità deve essere il più ampio possibile e, allo stesso tempo, è necessario mantenere un'elevata efficienza operativa all'interno dell'intero intervallo di regolazione della velocità;
(4) Il motore è progettato per avere una velocità nominale il più elevata possibile e, allo stesso tempo, viene utilizzato il più possibile un involucro in lega di alluminio.Il motore ad alta velocità è di piccole dimensioni, il che contribuisce a ridurre il peso dei veicoli elettrici;
(5) I veicoli elettrici dovrebbero utilizzare in modo ottimale l'energia e avere la funzione di recupero dell'energia di frenata.L'energia recuperata dalla frenata rigenerativa dovrebbe generalmente raggiungere il 10%-20% dell'energia totale;
(6) L'ambiente di lavoro del motore utilizzato nei veicoli elettrici è più complesso e duro e richiede che il motore abbia una buona affidabilità e adattabilità ambientale e allo stesso tempo garantisca che il costo di produzione del motore non possa essere troppo elevato.
2. Diversi motori di azionamento comunemente usati
2.1 Motore CC
Nella fase iniziale dello sviluppo dei veicoli elettrici, la maggior parte dei veicoli elettrici utilizzava motori CC come motori di azionamento.Questo tipo di tecnologia dei motori è relativamente matura, con metodi di controllo semplici e un'eccellente regolazione della velocità.Un tempo era il più utilizzato nel campo dei motori con regolazione di velocità..Tuttavia, a causa della complessa struttura meccanica del motore DC, come spazzole e commutatori meccanici, la sua capacità di sovraccarico istantaneo e l'ulteriore aumento della velocità del motore sono limitati e, in caso di lavoro a lungo termine, la struttura meccanica del motore DC il motore verrà generato una perdita e i costi di manutenzione aumenteranno.Inoltre, quando il motore è in funzione, le scintille delle spazzole fanno surriscaldare il rotore, sprecando energia, rendendo difficile la dissipazione del calore e causando anche interferenze elettromagnetiche ad alta frequenza, che influiscono sulle prestazioni del veicolo.A causa delle suddette carenze dei motori DC, gli attuali veicoli elettrici hanno sostanzialmente eliminato i motori DC.
2.2 Motore asincrono CA
Il motore asincrono CA è un tipo di motore ampiamente utilizzato nel settore.È caratterizzato dal fatto che lo statore e il rotore sono laminati con fogli di acciaio al silicio.Entrambe le estremità sono confezionate con coperture in alluminio., funzionamento affidabile e durevole, facile manutenzione.Rispetto al motore DC della stessa potenza, il motore asincrono AC è più efficiente e la massa è circa la metà più leggera.Se viene adottato il metodo di controllo vettoriale, è possibile ottenere controllabilità e un intervallo di regolazione della velocità più ampio paragonabile a quello del motore CC.Grazie ai vantaggi di alta efficienza, elevata potenza specifica e idoneità al funzionamento ad alta velocità, i motori asincroni CA sono i motori più utilizzati nei veicoli elettrici ad alta potenza.Allo stato attuale, i motori asincroni CA sono stati prodotti su larga scala ed esistono vari tipi di prodotti maturi tra cui scegliere.Tuttavia, in caso di funzionamento ad alta velocità, il rotore del motore si surriscalda notevolmente e il motore deve essere raffreddato durante il funzionamento.Allo stesso tempo, il sistema di azionamento e controllo del motore asincrono è molto complicato e anche il costo del corpo motore è elevato.Rispetto al motore a magnete permanente e alla riluttanza commutata Per i motori, l'efficienza e la densità di potenza dei motori asincroni sono basse, il che non favorisce il miglioramento del chilometraggio massimo dei veicoli elettrici.
2.3 Motore a magnete permanente
I motori a magneti permanenti possono essere suddivisi in due tipi in base alle diverse forme d'onda di corrente degli avvolgimenti dello statore, uno è un motore CC senza spazzole, che ha una corrente a onda di impulso rettangolare;l'altro è un motore sincrono a magnete permanente, che ha una corrente sinusoidale.I due tipi di motori sono sostanzialmente gli stessi nella struttura e nel principio di funzionamento.I rotori sono magneti permanenti, il che riduce le perdite causate dall'eccitazione.Lo statore è installato con avvolgimenti per generare coppia attraverso corrente alternata, quindi il raffreddamento è relativamente semplice.Poiché questo tipo di motore non richiede l'installazione di spazzole e struttura di commutazione meccanica, non verranno generate scintille di commutazione durante il funzionamento, il funzionamento è sicuro e affidabile, la manutenzione è conveniente e il tasso di utilizzo dell'energia è elevato.
Il sistema di controllo del motore a magnete permanente è più semplice del sistema di controllo del motore asincrono CA.Tuttavia, a causa della limitazione del processo del materiale a magnete permanente, la gamma di potenza del motore a magnete permanente è ridotta e la potenza massima è generalmente solo di decine di milioni, il che rappresenta il più grande svantaggio del motore a magnete permanente.Allo stesso tempo, il materiale del magnete permanente sul rotore presenterà un fenomeno di decadimento magnetico in condizioni di alta temperatura, vibrazione e sovracorrente, quindi in condizioni di lavoro relativamente complesse, il motore a magnete permanente è soggetto a danni.Inoltre, il prezzo dei materiali a magnete permanente è elevato, quindi il costo dell’intero motore e del relativo sistema di controllo è elevato.
2.4 Motore a riluttanza commutata
Essendo un nuovo tipo di motore, il motore a riluttanza commutata ha la struttura più semplice rispetto ad altri tipi di motori di azionamento.Lo statore e il rotore sono entrambe strutture a doppio saliente realizzate con ordinarie lamiere di acciaio al silicio.Non c'è struttura sul rotore.Lo statore è dotato di un semplice avvolgimento concentrato, che presenta numerosi vantaggi come struttura semplice e solida, elevata affidabilità, leggerezza, basso costo, alta efficienza, basso aumento di temperatura e facile manutenzione.Inoltre, ha le eccellenti caratteristiche di buona controllabilità del sistema di controllo della velocità CC, è adatto per ambienti difficili ed è molto adatto per l'uso come motore di azionamento per veicoli elettrici.
Considerando che, poiché i motori di azionamento dei veicoli elettrici, i motori CC e i motori a magneti permanenti hanno scarsa adattabilità alla struttura e all’ambiente di lavoro complesso e sono soggetti a guasti meccanici e smagnetizzazione, questo documento si concentra sull’introduzione di motori a riluttanza commutata e motori asincroni CA.Rispetto alla macchina, presenta evidenti vantaggi nei seguenti aspetti.
2.4.1 La struttura del corpo motore
La struttura del motore a riluttanza commutata è più semplice di quella del motore a induzione a gabbia di scoiattolo.Il suo notevole vantaggio è che il rotore non presenta alcun avvolgimento ed è costituito esclusivamente da normali lamiere di acciaio al silicio.La maggior parte delle perdite dell'intero motore si concentra sull'avvolgimento dello statore, che rende il motore semplice da produrre, ha un buon isolamento, è facile da raffreddare e ha eccellenti caratteristiche di dissipazione del calore.Questa struttura del motore può ridurre le dimensioni e il peso del motore e può essere ottenuta con un volume ridotto.maggiore potenza di uscita.Grazie alla buona elasticità meccanica del rotore del motore, i motori a riluttanza commutata possono essere utilizzati per il funzionamento ad altissima velocità.
2.4.2 Circuito di azionamento del motore
La corrente di fase del sistema di azionamento del motore a riluttanza commutata è unidirezionale e non ha nulla a che fare con la direzione della coppia e solo un dispositivo di commutazione principale può essere utilizzato per soddisfare lo stato operativo a quattro quadranti del motore.Il circuito del convertitore di potenza è collegato direttamente in serie con l'avvolgimento di eccitazione del motore e ciascun circuito di fase fornisce energia in modo indipendente.Anche se un determinato avvolgimento di fase o il controller del motore si guasta, è sufficiente interrompere il funzionamento della fase senza causare un impatto maggiore.Pertanto, sia il corpo motore che il convertitore di potenza sono molto sicuri e affidabili, quindi sono più adatti all'uso in ambienti difficili rispetto alle macchine asincrone.
2.4.3 Aspetti prestazionali del sistema motorio
I motori a riluttanza commutata hanno molti parametri di controllo ed è facile soddisfare i requisiti del funzionamento a quattro quadranti dei veicoli elettrici attraverso strategie di controllo e progettazione del sistema appropriate e possono mantenere un'eccellente capacità di frenata nelle aree operative ad alta velocità.I motori a riluttanza commutata non solo hanno un'elevata efficienza, ma mantengono anche un'elevata efficienza su un'ampia gamma di regolazione della velocità, che non ha eguali in altri tipi di sistemi di azionamento del motore.Questa prestazione è molto adatta per il funzionamento di veicoli elettrici ed è molto vantaggiosa per migliorare l'autonomia di crociera dei veicoli elettrici.
3. Conclusione
L'obiettivo di questo articolo è presentare i vantaggi del motore a riluttanza commutata come motore di azionamento per veicoli elettrici confrontando vari sistemi di controllo della velocità del motore di azionamento comunemente utilizzati, che rappresentano un punto caldo della ricerca nello sviluppo di veicoli elettrici.Per questo tipo di motore speciale c'è ancora molto spazio di sviluppo nelle applicazioni pratiche.I ricercatori devono compiere maggiori sforzi per portare avanti la ricerca teorica e, allo stesso tempo, è necessario combinare le esigenze del mercato per promuovere l'applicazione pratica di questo tipo di motore.
Orario di pubblicazione: 24 marzo 2022