Prova de conducció de motor síncron: què vol dir?

Els cotxes elèctrics encara estan eclipsats pel desenvolupament de bateries

El desenvolupament ràpid de les centrals motrius híbrides i el progrés sense precedents dels darrers anys en el camp dels vehicles elèctrics són el focus principal del desenvolupament de la tecnologia de les bateries. Exigeixen el màxim de recursos als desenvolupadors i són el repte més gran per als dissenyadors. Tot i això, no s’ha de subestimar el fet que el progrés en el desenvolupament de tecnologies avançades de liti-ió s’acompanya d’un progrés significatiu en el camp de la regulació de potència de corrents elèctrics i motors elèctrics. Va resultar que, tot i que els motors elèctrics tenen una alta eficiència, tenen un camp seriós per al desenvolupament.

Els dissenyadors esperen que aquesta indústria creixi a un ritme extremadament alt, no només perquè els vehicles elèctrics són cada vegada més habituals, sinó també perquè l’electrificació dels vehicles amb combustió és un element important dels nivells d’emissions fixats a la Unió Europea.

Tot i que el motor elèctric té una llarga història, els dissenyadors s’enfronten a nous reptes avui en dia. Els motors elèctrics, segons la finalitat, poden tenir un disseny estret i un diàmetre gran o un diàmetre petit i un cos llarg. El seu comportament en vehicles elèctrics purs difereix del dels híbrids, on s’ha de tenir en compte la calor generada pel motor de combustió interna. Per als vehicles elèctrics, el rang de velocitat és més ampli i els que s’instal·len en un sistema híbrid paral·lel a la caixa de canvis s’han d’optimitzar per funcionar dins del rang de velocitats del motor de combustió. La majoria de màquines funcionen a alta tensió, però les màquines elèctriques de 48 volts seran cada vegada més populars.

Per què motors de corrent altern?

Tot i que la font d’electricitat en la persona de la bateria és el corrent continu, els dissenyadors de sistemes elèctrics actualment no pensen en utilitzar motors de corrent continu. Fins i tot tenint en compte les pèrdues de conversió, les unitats de CA, especialment les síncrones, superen les unitats de CC. Però, què significa realment un motor síncron o asíncron? Us presentarem aquesta part del món de l’automoció, ja que, tot i que els cotxes elèctrics han existit durant molt de temps en cotxes en forma d’arrencadors i alternadors, recentment s’han introduït tecnologies completament noves en aquesta àrea.

Toyota, GM i BMW són ara alguns dels pocs fabricants que han assumit el desenvolupament i la producció de motors elèctrics. Fins i tot la filial de Toyota, Lexus, subministra aquests dispositius a una altra companyia, la japonesa Aisin. La majoria de les empreses confien en proveïdors com ZF Sachs, Siemens, Bosch, Zytec o empreses xineses. Viouslybviament, el ràpid desenvolupament d’aquest negoci permet a aquestes empreses beneficiar-se d’associacions amb fabricants d’automòbils. Quant a la vessant tecnològica de les coses, actualment, per a les necessitats de vehicles elèctrics i híbrids, s’utilitzen principalment motors síncrons de corrent altern amb rotor extern o intern.

La capacitat de convertir eficientment les bateries de corrent continu a CA trifàsica i viceversa es deu en gran mesura als avenços en tecnologia de control. No obstant això, els nivells actuals d’electrònica de potència arriben a nivells moltes vegades superiors als que es troben en una xarxa elèctrica domèstica i sovint superen els 150 amperes. Això genera molta calor a la qual han de fer front els electrònics de potència. Actualment, el volum de dispositius de control electrònic encara és gran perquè els dispositius de control de semiconductors electrònics no es poden reduir amb una vareta màgica.

Tant els motors síncrons com els asíncrons són un tipus de màquines elèctriques de camp magnètic giratori que tenen una densitat de potència més alta. En general, el rotor d'un motor d'inducció consisteix en un paquet senzill de làmines sòlides amb bobinatges curtcircuits. El corrent flueix pels bobinatges de l'estator en parells oposats, amb el corrent d'una de les tres fases circulant a cada parell. Com que en cadascun d'ells es desplaça en fase 120 graus respecte a l'altre, s'obté l'anomenat camp magnètic rotatiu. Això, al seu torn, indueix un camp magnètic al rotor, i la interacció entre dos camps magnètics, girant a l'estator i el camp magnètic del rotor, condueix a l'arrossegament d'aquest últim i la posterior rotació. Tanmateix, en aquest tipus de motor elèctric, el rotor sempre queda endarrerit del camp perquè si no hi ha moviment relatiu entre el camp i el rotor, no induirà cap camp magnètic al rotor. Així, el nivell de velocitat màxima ve determinat per la freqüència del corrent d'alimentació i la càrrega. Tanmateix, a causa de la major eficiència dels motors síncrons, la majoria de fabricants s'hi adhereixen.

Motors síncrons

Aquestes unitats tenen una eficiència i densitat de potència significativament més altes. Una diferència significativa respecte d’un motor d’inducció és que el camp magnètic del rotor no es crea per interacció amb l’estator, sinó que és el resultat del corrent que flueix a través dels bobinatges addicionals instal·lats al mateix o dels imants permanents. Per tant, el camp del rotor i el camp de l’estator són síncrons i la velocitat màxima del motor també depèn de la rotació del camp, respectivament, de la freqüència del corrent i de la càrrega. Per tal d’evitar la necessitat d’una font d’alimentació addicional als bobinatges, cosa que augmenta el consum d’energia i complica la regulació actual en vehicles elèctrics moderns i models híbrids, s’utilitzen motors elèctrics amb l’anomenada excitació constant, és a dir, amb imants permanents. Com ja s'ha esmentat, gairebé tots els fabricants d'aquest tipus de cotxes utilitzen actualment unitats d'aquest tipus, per tant, segons molts experts, encara hi haurà un problema amb l'escassetat d'elements costosos de terres rares, neodimi i disprosi. Els motors síncrons es presenten en diferents varietats i solucions tecnològiques mixtes com BMW o GM, però us explicarem més sobre ells.

Construcció

Els motors de vehicles purament elèctrics solen acoblar-se directament al diferencial de l'eix motriu i la potència es transfereix a les rodes mitjançant eixos de l'eix, reduint les pèrdues de transmissió mecànica. Amb aquesta disposició sota el terra, el centre de gravetat es redueix i el disseny general del bloc es torna més compacte. La situació és completament diferent amb la disposició dels models híbrids. Per als híbrids complets, com ara el mode únic (Toyota i Lexus) i el mode dual (Chevrolet Tahoe), els motors elèctrics estan vinculats d'alguna manera als engranatges planetaris de la transmissió híbrida, en aquest cas, la compacitat requereix que el seu disseny sigui més llarg i més petit. diàmetre. En els clàssics híbrids paral·lels, els requisits compactes fan que el conjunt que s'ajusta entre el volant i la caixa de canvis tingui un diàmetre més gran i sigui bastant pla, amb fabricants com Bosch i ZF Sachs fins i tot confiant en un disseny de rotor en forma de disc. També hi ha variacions del rotor, mentre que al Lexus LS 600h l'element giratori es troba a l'interior, en alguns models de Mercedes el rotor giratori és a l'exterior. Aquest darrer disseny també és extremadament convenient en els casos en què els motors elèctrics estan instal·lats als cubs de les rodes.

Text: Georgy Kolev