La demande pour les moteurs à induction à cage d'écureuil augmente

Imaginez un "cœur" hautement efficace battant silencieusement dans un véhicule électrique, qui fournit une puissance fiable sans structures de pinceau complexes.un moteur à courant alternatif largement utilisé dans les applications industrielles et les véhicules électriquesMais qu'est-ce qui rend ce moteur unique, et quels sont les défis et les opportunités auxquels il est confronté?

Résumé

Le moteur à induction de cage d'écureuil est un moteur à courant alternatif sans balais alimenté par tension et courant sinusoïdal.faibles exigences en matière de maintenance, et sa capacité à fonctionner dans des environnements difficiles le rendent idéal pour les applications industrielles et les systèmes de propulsion électrique.

Applications dans les véhicules électriques

Les SCIM ont été mises en œuvre dans plusieurs véhicules électriques à batterie (BEV) disponibles dans le commerce, y compris les voitures particulières, les bus et les camions légers.Tazzari Zéro, Mercedes-Benz Classe B Drive électrique, Mahindra e2o, et Toyota RAV4 EV. En outre,la première version du camion électrique léger Newton de Smith Electric Vehicles et le bus électrique à batterie Optare Solo EV utilisent également des SCIM en trois phases.

Principe de fonctionnement et caractéristiques structurelles

En tant que moteur asynchrone, le SCIM fonctionne avec une différence entre la vitesse de rotation du champ magnétique générée par les enroulements du stator et la vitesse du rotor.Sa structure relativement simple simplifie les processus de conception et de fabrication par rapport aux autres types de moteursContrairement aux moteurs à aimants permanents, les SCIM utilisent des matériaux plus abordables.Les moteurs avec un nombre de phases plus élevé sont en cours de développement pour améliorer la densité de puissance et réduire le couple et le courant par phase..

Le rotor contient une cage d'écureuil en aluminium coulé, avec des courants du rotor induits par le champ magnétique tournant du stator.L'interaction entre ce champ et le champ magnétique du rotor génère un couple électromagnétiqueL'efficacité peut être améliorée en utilisant du cuivre au lieu de l'aluminium pour les barres de rotor et les anneaux de bout.

Limites de performance et mesures d'amélioration

Les SCIM ont des inconvénients inhérents, notamment un contrôle difficile à basse vitesse, un faible facteur de puissance sous charges légères, un courant de démarrage élevé, une efficacité relativement faible et une faible utilisation de l'onduleur.Même en l'absence de chargeLes techniques de commande appropriées permettent d'atteindre le couple de démarrage maximal tout en maintenant un courant de démarrage faible.

Pour les applications de moteurs à moyeu, les SCIM peuvent utiliser des rotors extérieurs de cage pour augmenter le diamètre de l'espace d'air et le couple de sortie.en les rendant plus adaptés aux véhicules électriques électriques que les véhicules hybrides ou hybrides rechargeables où l'espace est limitéLa vitesse maximale est généralement limitée à 10 000 tr / min, bien que les techniques d'affaiblissement du champ puissent étendre la plage de puissance constante à 4 à 5 fois la vitesse de base, une exigence cruciale pour les véhicules électriques.

Technologie de commande

Il existe actuellement différentes techniques de contrôle de la vitesse et du couple, la plus simple étant le contrôle scalaire, qui ajuste la magnitude et la fréquence de la tension, bien que ses performances transitoires soient limitées.Pour une meilleure réponse transitoire, la commande orientée sur le terrain (FOC) et la commande directe du couple (DTC) sont mises en œuvre, tandis que les méthodes de commande sans capteur (élimination des capteurs de vitesse/position) gagnent en importance.

Moteurs à aimants permanents

Les moteurs sans balai à aimants permanents se divisent en deux catégories: DC sans balai (BLDC) et AC sans balai (moteurs synchrones à aimants permanents ou PMSM).leur arrangement de l'enroulement du stator diffèreLes moteurs BLDC utilisent des enroulements trapézoïdaux avec un champ électromagnétique inverse trapézoïdal, généralement alimentés par des courants de phase rectangulaires.Cela permet des méthodes de contrôle simples en utilisant la rétroaction de position détectée six fois par rotation.

Les PMSM ont évolué à partir de moteurs synchrones à rotor de plaie, remplaçant les enroulements d'excitation de pinceau/anneau coulissant par des aimants permanents.d'une hauteur n'excédant pas 10 mmCes différences ont une incidence significative sur le comportement du moteur et les algorithmes de contrôle, ce qui rend les PMSM mieux adaptés aux systèmes de traction des véhicules électriques.

Conception du moteur à aimants permanents

Alors que la plupart des PMSM utilisent des conceptions de flux radial, les configurations de flux axial offrent des avantages en termes de rapport couple-inertie et de densité de puissance pour certaines gammes de puissance, en particulier dans les applications de moteurs de moyeu.Les aimants de terres rares dominent les systèmes de propulsion des véhicules électriques en raison de leurs propriétés magnétiques supérieures., bien que des PMSM à haut rendement puissent être conçus avec des magnets de qualité inférieure.

Les PMSM à terres rares offrent des caractéristiques attrayantes, notamment une forte densité de puissance/couple, un fonctionnement à vitesse synchrone, un rendement élevé, un contrôle précis du couple et un fonctionnement sans entretien.les limitations comprennent une capacité limitée d'affaiblissement du champ (en particulier dans les PMSM montés en surface)Les risques de démagnétisation dus à des chocs mécaniques, à des températures élevées ou à des courts-circuits font de la sécurité et de la tolérance aux défauts des préoccupations essentielles.

Moteurs de réticence commutés

Les moteurs à réticence commutée (SRM) sont des machines sans pinceau avec des structures doublement saillantes, dont le rotor et le stator ont des pôles saillants.tandis que le rotor n'a ni enroulements ni aimantsLe mouvement du rotor est maintenu par l'alimentation séquentielle des poteaux du stator par contrôle électronique.

Les SRM offrent simplicité, faible coût et facilité de fabrication en raison de leur structure de rotor simple.1)"idéal pour les véhicules électriques sans engrenage"avec capacité à haute températureCependant, les limitations inhérentes comprennent une ondulation significative du couple, des vibrations, du bruit acoustique, un contrôle complexe dû à une non-linéarité élevée.,et une efficacité inférieure due à des pertes de fer plus élevées.

Moteurs à commutateur de flux

Les moteurs à commutateur de flux (FSM) sont des machines sans balai doublement importantes qui font l'objet d'une étude pour des applications de traction.Leurs stators contiennent à la fois des enroulements d'excitation CC et des enroulements d'armature CA (généralement triphasés)La simplicité du rotor rend les FSM robustes pour un fonctionnement à grande vitesse.

Les variantes de FSM comprennent les types excités par enroulement (WFFSM), aimants permanents (PMFSM) et hybrides excités (HEFSM).Les WFFSM excellent à cet égard grâce au contrôle des enroulements en courant continuLes caractéristiques attrayantes du FSM incluent la simplicité structurelle, une forte densité de flux entre les espaces d'air (produisant une forte densité de puissance/couple) et une robustesse pour les environnements difficiles.Les inconvénients comprennent des pertes de cuivre plus élevées et une ondulation de couple inhérente.

Moteurs à réticence synchrone

Les moteurs à réticence synchrone (SynRM) fonctionnent de manière synchrone via une alimentation CA en trois phases.Le couple dérive uniquement de la réticence magnétiqueLes conceptions de rotors à barrière de flux multiples guident le flux magnétique tout en bloquant le flux de l'axe de quadrature.

Les SynRM offrent une simplicité de fabrication et des exigences compétitives en matière de facteur de puissance / onduleur par rapport aux moteurs à induction, bien qu'ils soient en retard par rapport aux PMSM en termes d'efficacité et de densité de couple.Une conception soignée de la barrière de flux peut atténuer les problèmes d'ondulation du couplePlusieurs fabricants proposent désormais des SynRM de qualité industrielle, avec des prototypes récents développés pour les applications EV.

Moteurs à réticence synchrone à aimant permanent

L'insertion d'aimants dans les rotors SynRM crée des PMa-SynRM – des candidats prometteurs pour les moteurs électriques.Ces machines intègrent des aimants de ferrite dans les barrières de flux du rotor pour augmenter le rapport de saillantLa polarité des aimants compte le flux de l'axe carré, minimisant Lq et maximisant le rapport Ld/Lq pour augmenter le couple de réticence (qui domine le couple d'alignement).

Les PMa-SynRM combinent les avantages du moteur de particules et de la réticence: haute efficacité, densité, facteur de puissance et plage de vitesse.L'utilisation de ferrites peu coûteuses au lieu d'aimants de terres rares répond aux problèmes de coût/offre tout en réduisant les risques de démagnétisation et de rétro-EMFLes conceptions de rotors utilisent des cavités multicouches pour les ferrites intégrées, optimisant la salitance magnétique.Les efforts de développement se poursuivent sur les prototypes PMa-SynRM à base de ferrite.

Comparaison des performances moteurs

Lors de l'évaluation des types de moteurs (SRM, WFFSM, PMFSM, PMa-SynRM, PMSM et SCIM), aucun candidat ne surpasse clairement les autres sur tous les indicateurs.bruit/vibrations, la fabrication, la robustesse, la tolérance aux défauts, la plage de puissance constante et la complexité de contrôle.Une analyse approfondie est nécessaire pour faire correspondre les exigences spécifiques de l'application aux caractéristiques optimales du moteur.