Motoare Electrice de Curent Continuu

Capitolul 1. INTRODUCERE

În anii din urmă, încercările de a dezvolta noi mijloace de transport, eficiente și nepoluante, au condus la creșterea interesului, în toată lumea, pentru unele vehicule electrice a căror istorie este mai mult sau mai puțin veche, dar nivelul tehnologic de până acum nu a permis intrarea lor în exploatare curentă.

Lucrarea de față își propune să prezinte stadiul actual al dezvoltării unora dintre vehiculele electrice neconvenționale, care au început să prolifereze sau au șanse mari de a prolifera în viitorul apropiat. Ea se bazează pe o vastă documentație științifică, dar și pe rezultatele unor cercetări proprii.

În această lucrare vor fi prezentate câteva probleme generale ale vehiculelor electrice, servind la fixarea terminologiei utilizate în tracțiunea electrică, la reamintirea unor mărimi și relații specifice diverselor tipuri de vehicule, precum și la justificarea adoptării unor soluții în construcția vehiculelor actuale și de viitor.

Interesul recent în vehiculele electrice (EV) și vehiculele electrice hibride (HEV) se referă la un motor eficent, economic și de încredere pentru propulsia electrică. Totuși, găsirea unui motor de tracțiune potrivit poate deveni o problemă destul de complicată atunci când se ține seama de dinamica vehiculelor și arhitectura sistemelor. Această lucrare realizează o investigație amanunțită asupra a două caracteristici foarte importante ale motoarelor de tracțiune, abilitatea de viteză și eficiența consumului de energie din perspectivele sistemului vehicular.

Două pachete software EV-HEV (V-ELPH) realizate la Universitatea Texas A&M și “ADVISOR” de la NREL sunt folosite în scopuri stimulante.

Selectarea unui motor potrivit pentru sistemul de propulsie electric și hibrid este foarte importantă. Insustria de automobile, inclusiv cei trei mari producători de mașini din S.U.A. și alții din străinatate caută în prezent sisteme mai performante pentru EV și HEV. Dar găsirea unor forme de mașină potrivită poate fi complicată având în vedere că modul general de operare al mașinii nu este bine definit.

Câteva caracteristici ale motoarelor EV/HEV despre selectarea motoarelor pentru tracțiune electrică sunt:

Densitatea cuplului de torsiune

Dimensiunile invertorului

Raza de viteze extinsă – influențată de dinamica vehiculului și arhitectura sistemului

Eficiența energetică – influențată de dinamica vehiculului și arhitectura sistemului

Siguranța

Încrederea

Răcirea

Costul.

Printre caracteristicile menționate mai sus, raza de viteză și eficiența energiei sunt cele două caracteristici de bază care sunt influențate de dinamica vehiculului și arhitectura sistemului. Prin urmare selecția motoarelor de tracțiune pentru anumite arhitecturi ale vehiculelor (EV, HEV în serie și paralel etc.) cere o atenție specială asupra celor două caracteristici.

Problema razei de viteză este semnificativă pentru performanțele la accelerare ale unui vehicul care reprezintă un criteriu de design hotărât de obicei de utilizatori. Totuși în timp real, vehiculul operează foarte rar în condiții extreme (ex. viteza ridicată și accelerație). Prin urmare devine importantă problema eficienței energiei. Consumul de combustibil (kilometri per litru – cuplu) este dat de eficiența folosirii energiei pe întregul sistem. Pentru a asigura un cuplu mai bun, determinarea celui mai bun contur de eficiența ar trebui să coincidă cu zonele cele mai frecvent operative. Prin urmare, dacă se caută cel mai bun motor de tracțiune pentru o anumită arhitectură EV sau HEV, atât raza de viteză cât și eficiența folosirii energiei ar trebui studiate în același timp.

În această lucrare, posibilitațile cele mai extinse de raze de viteză și eficiență a folosirii energiei sunt studiate relativ la arhitecturile de tip EV și HEV. Este folosit testul parțial de încărcare electrică (TPIE) SAE J1711, din care fac parte FUDS și FHDS, care a fost conceput de către Programul pentru Vehiculele Electrice-Hibride U.S., pentru a descoperi punctele de operare frecventă ale motorului în cazul sistemelor paralele HEV. Acest test se poate vizualiza cu ajutorul programului Advisor. Împreună cu profilul potrivit de forță-viteză este de asemenea esențială folosirea unui motor de tracțiune foarte eficient. Motoarele industriale standard lucrează la un anumit punct, iar eficiența este definită la acel punct. Un motor eficient la un anumit punct de operare, poate să nu fie eficient în alte puncte. Un motor de tracțiune trebuie să aibă o eficiență rezonabilă între cuplul de viteze. Totuși este dificilă realizarea unui motor cu o eficiență ridicată pentru tot cuplul de viteze. Astfel, propunem optimizarea eficienței în regiunile cele mai frecvent folosite. Numim asta “energia eficienței”, deoarece eficiența este de asemenea dependentă de timp. Cele două programe general acceptate pentru măsurarea consumului de combustibil la o mașină sunt FUDS și FHDS.

Economia totală de combustibil este calculată cântărind mpg de la FUDS și FHDS cu 0.55 și respectiv 0.45 și adunând rezultatele.În această lucrare , regiunea de funcționare frecventă a unui motor electric de tracțiune este identificată folosind FUDS și FHDS.

S-a început deja producerea în masă a câtorva mașini ( arătate mai jos ) pe baza tehnologiei HEV, de exemplu: Toyota Prius, Honda Insight, etc.

Capitolul 2. PREZENTAREA GENERALĂ A ACȚIONĂRII

EV-urile și HEV-urile se clasifică în două mari categorii:

EV și HEV în serie

EV și HEV în paralel

Cazul I : EV ( vehicule electrice ) și HEV ( vehicule electrice hibride ) în serie

Fig 1. HEV serie

Vehiculele HEV/EV serie sunt prezentate sumar, pentru că în această lucrare trebuie dezbătut HEV/EV paralel. Oricum sunt prezentate cele mai importante caracteristici, formule și grafice, pentru a avea o mai bună idee asupra caracteristicilor vehiculelor de orice fel EV/HEV. În figura 1. este prezentată schema simplificată a unui HEV serie. Într-un sistem general EV sau HEV în serie există numai o unitate de propulsie – motorul electric. Profilul forță–viteză ideal al unui motor electric este arătat în figura 2. Această caracteristică poate fi dirijată în secțiuni distincte: regiunea cu moment constant (forța) și regiunea de putere constantă. În regiunea cu moment constant motorul electric furnizează Tmax (Fmax) cuplul constant până la viteza de bază Nb sau vrm. La această viteză motorul își atinge limita de putere Pm. Operația de după viteza de bază se numește regiunea de putere constantă. În această regiune motorul furnizează putere la o anumită cotă vitezei maxime. Aceasta se obține prin reducerea fluxului câmpului motorului și prin urmare este cunoscută și ca “regiunea de slăbire a câmpului”. Figura 2. denotă un motor tip “3.3x”, unde regiunea de putere constantă se extinde peste regiunea de cuplu constant cu un factor de 3.3 (vmax/vm).

Fig. 2. Caracteristica unui motor ideal

Pentru a calcula puterea de tracțiune totală a unui vehicul constrângerea impusă de obicei asupra unitații de propulsie este accelerația inițială. Obiectivul principal este să se atingă accelerația cu o putere maximă. O expresie analitică relativă la puterea de tracțiune (Pm) cu accelerația inițială (0 la vrv Km/h în tf 3 secunde) este dată de ecuația (1) unde rezistența aerodinamică și ficțiunea sunt neglijate pentru moment.

Aici, nu se reprezintă masa vehiculului în kg. Forța maximă Fmax ce poate fi împărțită de un cauciuc fără “a se coji” sau a aluneca limitează cuplul furnizat de trenul de viteză Fmax este calculat prin ecuația (3).

Aici fr este coeficientul de rezistență al cauciucului la rotire, este coeficientul de alunecare al roții maxim, hg este înalțimea centrului de greutate al vehiculului, L1 este baza roții vehiculului și L2 este distanța orizontală dintre roata din spate și centrul de gravitație (fig. 3). În ecuațiile de mai sus, ecuația (2) definește puterea de accelerație a vehiculului și ecuația (3) impune o limită la forța maximă de tracțiune datorită alunecării roții. Eliminând Fmax și rezolvând ecuațiile (2) și (3) obținem ecuația :

Forma patratică în ecuația (4) sugerează două soluții pentru viteza motorului vrm. Totuși o valoare va fi nepractică. Aceasta implică existența uneii soluții unice a ratei vitezei maxime extinse pentru EV și rezultatul nu depinde de greutatea vehiculului.

Fig.3 Forțele care acționează asupra unei mașini

Pentru subiectul discutat în această lucrare, se ia în considerare rezistența cea mai mică. Prin includerea în ecuație a frecării și a rezistenței aerodinamice rezultă forma complexă de mai jos:

Aici, este densitatea aerului, Cd este coeficientul rezistenței aerodinamice și Af este aria părții frontale a vehiculului. Ecuația (5) se rezolvă prin integrare numerică. O descriere detaliată a cum se obține rata vitezei maxime extinse folosind ecuațiile (3) și (5) este dată în ref. 7. Rezultatul obținut din integrare pentru viteza maximă extinsă a 1000 kg și 2000 kg sunt prezentate în figura 4. a unei mașini de teren, gen ARO. Accelerația ințială considerată în acest exemplu este 60 mph (vrm=26.82 m/s) la care se ajunge în 10 sec. (tg = 10 sec) și viteza maximă de croazieră se consideră 100 mph.

Figura 4. arată că rata de viteză extinsă (vrm/vmax) este aproape independentă de greutatea vehiculului. Asta deoarece rezistența aerodinamică, care nu e funcție de greutate, are un impact mai mic asupra ratei de viteză extinsă decât are frecarea cauciucurilor, care este funcție liniară de greutate. Prin urmare, pentru o anumită dimensiune, rata de viteză extinsă maximă a vehiculului este unică și în acest exemplu este (100/19.2) 5.2x.

Fig.4 Viteza maximă atinsă de un vehicul EV/HEV serie

Caz II: Mașini convenționale

Deși ecuațiile (1), (2) și (5) au fost obținute pentru un sistem de propulsie electric prin concepția operației de viteză extinsă se menține și pentru motorul convențional cu combustie internă (ICE). În vehiculele cu motor, operația de putere constantă este atinsă prin sistemul de transmisie cu mai multe viteze. În figura 5, observăm un motor de 90KW realizând profilul ideal de forță – viteza unui sistem ce folosește o transmisie cu 5 viteze. Ratele vitezei sunt 13, 45, 7, 57, 5.01, 3.77 și 2.84. Motorul este modelat prin scalarea lineară a axei cuplului unui motor clasic de exemplu motorul unui vehicul DODGE CARAVAN cu aprindere cu scânteie.

Fig.5. Profilul forță-viteză optimă atinsă de un vehicul cu o transmisie cu 5 viteze

Prezența unei singure unitați de propulsie face deseori cercetarea regiunii de funcționare destul de directă în EV și HEV serie . Figurile 6.a și 6.b arată distribuția punctelor de lucru a unei mașini de teren de 1300 de kg pentru FUDS și FHDS. FUDS și FHDS sunt teste folosite pentru aflarea bunei funcționări a vehiculelor, ele sunt singurele teste acceptate în U.S. pentru a măsura economia de combustibil. Cu ajutorul acestor teste aflăm domeniul de funcționare, forța în funcție de viteză a vehiculului.

Figurile arată că frecvența de funcționare pentru FUDS este aglomerată în forța scăzută ( f < 3000 newtoni ), viteza mediu-scazută ( între 20 și 40 mph ). Pentru FHDS ciclul de condus , mulțimea de puncte a regiunii de funcționare este între 40 și 60 mph. Dacă suprapunem profilul maxim putere-viteză al EV/HEV serie de 1300 de kg, peste figura 6.a și 6.b, arată ca atunci când este folosită o singură viteză, regiunile de funcționare frecvente ale FUDS și FHDS sunt localizate în regiunea de putere constantă a motorului . De aceea, cu funcționarea unui singur angrenaj, un motor electric de tracțiune este mult mai eficient în regiunea de putere constantă și este cel mai potrivit pentru aplicata EV și HEV serie .

Figura 6.a. Distribuția punctelor de funcționare a unei mașini de 1300 kg pe FUDS.

Figura 6.b.. Distribuția punctelor de funcționare a unei mașini de 1300 kg pe FHDS.

Cazul III : EV ( vehicule electrice ) și HEV ( vehicule hibride ) în paralre este între 40 și 60 mph. Dacă suprapunem profilul maxim putere-viteză al EV/HEV serie de 1300 de kg, peste figura 6.a și 6.b, arată ca atunci când este folosită o singură viteză, regiunile de funcționare frecvente ale FUDS și FHDS sunt localizate în regiunea de putere constantă a motorului . De aceea, cu funcționarea unui singur angrenaj, un motor electric de tracțiune este mult mai eficient în regiunea de putere constantă și este cel mai potrivit pentru aplicata EV și HEV serie .

Figura 6.a. Distribuția punctelor de funcționare a unei mașini de 1300 kg pe FUDS.

Figura 6.b.. Distribuția punctelor de funcționare a unei mașini de 1300 kg pe FHDS.

Cazul III : EV ( vehicule electrice ) și HEV ( vehicule hibride ) în paralel

În hibridul în paralel fie motorul electric sau cel normal sau chiar amândouă pot propulsa vehiculul. Prin urmare în cazul HEV în paralel devine necesară folosirea transmisiei cu mai multe viteze, datorită motorului. În funcție de poziția sistemului de transmisie pot exista două tipuri de arhitecturi HEV:

hibrizi post-transmisie.

hibrizi pre-transmisie.

În hibridul pre-transmisie cutia de viteze este pe arborele principal și înainte de cuplul de torsiune. Prin urmare, cutia de viteze afectează atât performanțele motorului cât și cele ale motorului electric. În hibridul de tip post-transmisie, cutia de viteze este plasată pe arborele motorului, după cuplul de torsiune. Prin urmare cutia de viteze afectează numai performanțele motorului. Motorul electric poate funcționa cu un singur reducător de viteze. Aceasta necesită o creștere a operației de viteză din partea motorului .

HEV post-transmisie

Componența unui HEV de tip post-transmisie este schematic aratată în figura 5.b . Într-un sistem hibrid de tip post-transmisie rata de viteză extinsă depinde de “factorul de hibridizare” (FH). Aceasta este rata dintre puterea motorului și puterea totală de propulsie și este exprimată procentual (FH= 100%*Pm/ Pt, unde Pm este puterea motorului și Pt este puterea totală). Performanțele HEV în paralel depind de FH. Un FH crescut înseamnă o creștere a puterii motorului. Deoarece motorul electric este în mod natural mai eficient decât ICE, un FH crescut va duce la creșterea eficienței sistemului per total. Totuși, greutatea centrului de putere va crește odată cu creșterea hibridizării. S-a realizat o analiză detaliată a sistemelor tip pre-transmisie și post-transmisie cu FH-uri diferite. S-a ajuns la concluzia că un FH de 50% duce la o economie maximă de combustibil și de asemena trece testul de încărcare parțială (TIP) SAE J1711, care a fost conceput de către Programul pentru Vehiculele Electrice-Hibride U.S., pentru a descoperi punctele de operare frecvente ale motorului în cazul sistemelor paralele HEV. Acest test se poate vizualiza cu ajutorul programului Advisor.

Un HEV în paralel cu o hibridizare de peste 50% nu a reușit să susțină încărcarea în timpul TIP deoarece un motor mic nu poate să reîncarce pachetul mare de baterie în cazul unei hibridizări ridicate . Totuși industriile de automobile preferă un HF scăzut din cauza infrastructurii lor prezente, care se bazează pe ICE și care se reflectă într-un tren de HF 20% observat în hibrizii în paralel apăruți recent. Prin urmare, în această lucrare ne concentrăm asupra hibrizilor cu hibridizare de 20% și 50%.

Descreșterea FH duce la o scădere a puterii motorului Pm. Asta va afecta ecuația 1. Prin urmare, curba de putere constantă se va mișca în jos. (fig. 6). Dar FH nu schimbă forța maximă Fmax a cauciucului. Prin urmare, hibridizarea scăzută înseamnă o creștere a ratei vitezei extinse. Fig. 6 ilustrează această afirmație pentru un HEV în paralel de 1300 de kg. Un sistem hibrid cu hibridizare de 50% necesită din partea motorului electric o viteză extinsă maximă de 2 ori mai mare, adică (5,2/0,5) 10,4x. Un sistem cu hibridizare 20% are nevoie de (5,2/0,2) 26x. Dar nici un motor nu poate furniza o asemenea extensie a vitezei cu o singură viteză. Aceasta indică necestitatea folosirii unui schimbător de viteze separat pentru motorul electric în cadrul HEV în paralel cu post-transmisie.

Fig. 6. Viteza/forța pentru un vehicul HEV paralel, post-transmisie

2. HEV cu pre-transmisie.

Componenta unui HEV de tip pre-transmisie este schematic arătată în figura 5.a. HEV-ul pre-transmisie este prezentat mai pe larg pentru că el face parte din materialul de dezbătut în acest proiect. Puterea constantă maximă a sistemului de pre-transmisie este influențată de doi factori: FH și vitezele transmisiei. Reducătorul de viteză simplu (fig. 5.a) egalizează vitezele maxime ale motorului electric și ale celui normal. Cutia de viteze împarte întregul profil forță-viteză al vehiculului în secțiuni mici. În aceste secțiuni rata vitezei scade cu numărul de viteze. Forța de tracțiune scade, iar viteza crește proporțional cu scăderea ratei vitezei. Dar nu există modificări în putere și în rata vitezei extinse (vmax/vrm). Prin urmare, viteza extinsă ar trebui privită numai în regiunea primei viteze unde forța de tracțiune aplicată este maximă și limitată de “cojirea” cauciucurilor. Fig. 7.a arată profilul forță-viteză al unei combinații de motoare de 45 kW cu o hibridizare de 50%, rata de schimbare a primei viteze fiind 13,45. Se remarcă rata vitezei maxime extinse 2x. Figura 7.b arată profilul forță-viteză al unei combinații dintre un motor electric 18 kW cu un motor normal 72kW, într-un hibrid 20% operând cu o rată de schimbare a primei viteze de 13,45. În acest caz, rata vitezei maxime extinse este 5x.

Figurile 1. și 2. sunt aplicabile doar la EV și HEV în serie unde puterea de propulsie vine de la motorul electric. Definirea eficienței energiei este foarte complexă. Pentru HEV paralel în care gradul de hibridizare are o influență directă asupra sistemului . Mai mult, polimorfismul arhitecturii HEV paralel , ca pre-transmisia și post-transmisia împreună cu variantele conceptelor de putere debitată controlată face studiul eficienței și mai complicat. Există o gramadă de strategii de control HEV menționate în literatură.

Ideea generală a celor mai multe algoritme de desparțire a puterii sunt pentru a maximiza economia de combustibil prin folosirea celor două surse de putere în regiunile lor cele mai bune de eficiență. De aceea, vom lăsa motorul să meargă în regiunea de putere constantă la viteză mare unde este mai eficient decât în alte regiuni ale sale. Pe de altă parte, motorul în majoritatea timpului va funcționa cu viteză mică, regiunea mare a cuplului unde este mult mai eficient decat motorul. Bineînțeles, starea de schimbare a sursei de energie deasemenea influențează tehnica de control. În figurile 2.a și 2.b , prezentăm frecvența punctelor de funcționare a motorului electric și motorul termic pentru o pre-transmisie HEV hibridizată 50% la FUDS.

Figura 3.a și 3.b arată la fel la FHDS. Schema de control “asistată electric “ a fost folosită pentru ambele cazuri. Forțele de propulsie sunt transformate în cupluri corespunzătoare motoarelor în figurile 2 și 3 presupunând o roată cu raza de 0,28m și , deasemenea considerând raportul celor 5 viteze de transmisie de 13.45, 7.57, 5.01, 3.77 și 2.48. Procedura SAE J1711 PCT este urmarită pentru a asigura încărcarea substanțială a sistemului HEV. Cele două condiții menținute în configurarea simulării noastre sunt :

(1) pachetele de energie sunt încarcate inițial 60%

(2) după fiecare program de conducere diferența între starea inițială și finală de încarcare a bateriei trebuie să fie în intervalul 0.5%.

Observăm din figura 2.a și 3.a regiunea frecvenței de funcționare a motorului în ambele cazuri este concentrată în regiunea constantă a cuplului motorului. De aceea, motoarele de tracțiune folosite pentru o pre-transmisie paralelă hibridizată 50% ar trebui să maximizeze eficiența de conducere în regiunea constantă a cuplului.

Figura 2.a. Distribuția punctelor de funcționare pentru o pre-transmisie HEV de 50% la FUDS.

Figura 2.b. Distribuția punctelor de funcționare pentru o pre-transmisie HEV de 50% la FUDS.

Figura 3.a. Distribuția punctelor de funcționare pentru o pre-transmisie HEV de 50% la FHDS.

Figura 3.b. Distribuția punctelor de funcționare pentru o pre-transmisie HEV de 50% la FHDS.

O analiză similară este facută pentru un sistem cu pre-transmisie paralelă hibridizată 20% arătată în figurile 4 și 5. Figura 4.a arată că regiunea frecventă de funcționare a motorului electric este peste domeniul de 2000 rpm, care este începutul regiunii de putere constantă în acest caz. În figura 5.a regiunea frecventă de funcționare a motorului este clar în regiunea de putere constantă a motorului (exact deasupra 3000 rpm). De aceea, pentru un sistem paralel HEV hibridizat 20% eficiența tractiunii motorului ar trebui maximizată la începutul regiunii de putere constantă.

Figura 4.a. Distribuția punctelor de funcționare ale motorului pentru o pre-transmisie HEV de 20% la FUDS.

Figura 4.b. Distribuția punctelor de funcționare ale motorului pentru o pre-transmisie HEV de 20% la FUDS.

Figura 5.a. Distribuția punctelor de funcționare ale motorului pentru o pre-transmisie HEV de 20% la FHDS.

Figura 5.b. Distributia punctelor de funcționare ale motorului pentru o pre-transmisie HEV de 20% la FHDS.

Capitolul 3. DIMENSIONAREA PRELIMINARĂ

Motoare electrice de curent continuu

1. Evoluția dezvoltării mașinii de curent continuu

Între primele aplicații ale fenomenului inducției electromagnetice, descoperit în 1831 de Faraday, se află mașina de curent continuu, respectiv dispozitivul de conversie electromecanică a energiei, funcționând pe principiul electromagnetic.

Generatorul de curent electric pulsatoriu, inventat de Ritchie în 1833, marchează inventarea într-o formă primară a colectorului. Se succed apoi dezvoltări legate și de numele unor inventatori cum ar fi:

Hjorth – 1851, construirea generatorului cu autoexcitație;

Siemens – 1856, construirea indusului în dublu T, respectiv plasarea înfașurărilor în crestături;

Pacinotti – 1860 construirea indusului în inel, prevăzut cu

crestături, a cărui dezvoltare industrială este făcută

de Gramme începând cu anul 1866;

Hefner-Alteneck – 1872, construirea indusului în tambur

cu înfașurare într-un singur strat;

Weston – 1882, înfașurarea în două straturi;

Mordey – 1883, utilizarea legăturilor echipotențiale;

Mengos – 1884, înfășurarea pentru compensarea câmpului

reacție a indusului.

Utilizarea polilor de comutație datează din anul 1885, perioadă care încheie practic configurarea mașinii de curent continuu în structura în care aceasta se realizează și astăzi. Dezvoltările din ultima vreme sunt legate de perfecționarea funcționării în regimuri dinamice și în condițiile alimentării prin convertoare statice, a căror tensiune de ieșire nu este perfect continuă.

Regimul de motor a fost și este din ce în ce mai preponderent în utilizarea mașinilor de curent continuu, ca urmare a posibilitații reglării comode și în limite largi a turației.

2. Elemente constructive

În construcția actuală, mașina de curent continuu se compune în principal dintr-un inductor care formează statorul, capabil să genereze în întrefier un câmp magnetic heteropolar și un indus, care constituie rotorul mașinii. În figură pot fi evidențiate în detaliu elemente constructive specifice.

Statorul mașinii din figură are 2p=4 poli, denumiți poli principali sau poli inductori. Miezul magnetic al acestor poli poate fi masiv, sau din tole asamblate prin nituire. Cea de-a doua metodă este mai ușor de executat și în plus asigură reducerea pierderilor datorate eventualului caracter pulsatoriu al câmpului magnetic. Bobinele aparțin circuitului de excitație al mașinii, fiind plasate în jurul acestor miezuri; modul lor de conectare este în așa fel încat sensul câmpului magnetic să alterneze de la un pol la altul în lungul periferiei statorului.

Indusul sau rotorul mașinii de curent continuu constă dintr-un miez magnetic realizat din tole de oțel electrotehnic, uzual cu grosimea de 0,5 mm. Partea dinspre întrefier a acestui miez conține crestături repartizate uniform, în care se plasează înfașurarea indusului.

Înfașurarea indusului este de tip repartizată în crestaturi, în două straturi, închisă, cu multiple prize conectate la lamelele colectorului.

Colectorul, situat la una din extremitațile frontale ale rotorului, este constituit dintr-o succesiune de lamele din cupru în direcție azimutală, izolate față de restul rotorului; aceste lamele asigură legătura electrică între înfașurarea indusului și periile colectoare.

În funcție de modul de alimentare al înfășurării de excitație se diferențiază:

mașini cu excitație separată, sau independentă

mașini cu autoexcitație

mașini serie

mașinile compound

mașini de excitație mixtă

Aceste motoare sunt bine cunoscute, iar tehnologia lor este bine pusă la punct. Ele – și în mod deosebit motorul serie – au fost, pâna relativ recent, principalele motoare folosite în tracțiunea electrică.

Indiferent de tipul excitației utilizate, schema echivalentă a unui motor de curent continuu este, în esență, cea din figura următoare :

Schema electrica a unui motor de curent continuu

Ecuația corespunzătoare acestei scheme, în regim permanent, este:

U = E + RI

În care R,L sunt rezistența și respectiv inductanța circuitului indusului, iar E tensiunea electromotoare indusă în acest circuit. Se poate scrie:

E = kM

Unde kM este o constantă constructivă a mașinii, fluxul pe un pol al mașinii, iar viteza unghiulară a rotorului.

Cuplul electromagnetic dezvoltat de motor este :

M = kMI

Din relațiile precedente rezultă ecuația :

=

care poate servi la construirea caracteristicilor mecanice M() ale motorului.

3. Principiul de funcționare al mașinii de curent continuu

Fie o spiră dreptunghiulară plasată simetric pe un miez magnetic cilindric, care la rândul său se află în câmpul magnetic inductor creat de polii N și S.

Fig. 1.

Prin antrenarea rotorului, supus cuplului de antrenare Ma al unei mașini motoare spira se rotește cu viteza unghiulară , laturile spirei în lungul miezului magnetic având viteza tangențială v, perpendiculară pe vectorul inducție magnetică B din întrefier.

Variația acestei inducții în raport cu coordonata reprezintă la alta scară variația în timp a tensiunii electromotoare indusă în spiră, ue=2Blv, unde l este lungimea axială a spirei. Prin urmare, tensiunea la bornele A1,A2 ale structurii simple este una alternativă. Dacă în loc de a fi conectate la două inele distincte, cele două capete ale spirei se conectează la două semi-inele, pe care calcă perii plasate corespunzător, tensiunea la bornele A1 și A2, va avea variația în timp caracterizată de o componentă continuă Ub importanță. Sistemul de lamele și perii care asigură redresarea tensiunii alternative indusă în spiră, este cea mai simplă structură de colector. Pulsațiile tensiunii la borne se reduc pe măsură ce numărul de spire, respectiv de lamele ale colectorului crește.

Prin conectarea unui rezistor la bornele A1 A2 spira indus va fi parcursă de un curent electric având sensul tensiunii induse v x B. Interacțiunea dintre acest curent și câmpul magnetic inductor B determină forța electromagnetică Fe=il x B, cu orientarea inversă în raport cu vectorul v ; cuplul electromagnetic asociat are modulul FeD, unde D este diametrul rotorului.

Raționând în raport cu curentul continuu I, corespunzător tensiunii continue la borne Ub și tensiunii electromotoare asociate Ue = 2Blv, cuplul electromagnetic are expresia :

Me = FeD = BIlD

Rotația indusului cu viteza v sau constante impune egalitatea dintre cuplul de antrenare Ma și cuplul electromagnetic Me:

Ma = Me = BIlD

Puterea mecanică asigurată de mașina motoare poate fi exprimată succesiv sub forma:

P1=Ma=Me=BIlD=2BIlv=UeI=UbI=P2

Această succesiune de egalități arată că dispozitivul convertește puterea mecanică P1 în putere electrică P2 , transmisa rezistenței de sarcină. În ipoteza neglijării rezistenței înfășurării indusului și a rezistenței contactelor perie-colector, cele două puteri sunt egale, respectiv conversia este integrală. Dispozitivul analizat este așadar un generator de curent continuu.

În caz că se aplică la periile A1,A2 o sursa exterioară de tensiune continuă Ub, spira în calitate de receptor va fi parcursă de curentul I, de sens contrar în raport cu sensul anterior. Prin urmare, sensul forței electromagnetice Fe va fi opus celui reprezentat în figură și de asemenea și sensul cuplului electromagnetic corespondent Me. Rotorul va fi antrenat în sensul reprezentat în figură, cu viteza unghiulară constantă, dacă axul va fi supus cuplului rezistent al instalației acționate Mr egal și de sens opus cuplului electromagnetic. Tensiunea indusă va avea același sens ca acela reprezentat în figură, respectiv opus curentului I. Pornind de la puterea electrică absorbită pot fi scrise succesiv egalitățile:

P1=UbI=UeI=2BlvI= BIlD=Me=Me=P2

care evidențiază proprietatea de motor electric de curent continuu a dispozitivului.

Deoarece viteza tangențială v este proporțională cu turația n a rotorului, iar inducția B este proporțională cu fluxul al polilor inductori, tensiunea electromotoare poate fi exprimată sub forma:

Ue=ken

Constanta ke fiind dependentă de elemente constructive ale înfășurării indusului. De asemenea cuplul electromagnetic se exprimă în mod uzual sub forma:

Me = kmI

În cazul în care se ia în considerare rezistența R a înfășurării indusului, atunci dependența dintre tensiunea la borne, tensiunea electromotoare și curentul în indus este;

Ub=Ue – RI , pentru regimul de generator

Ub= Ue+ RI , pentru regimul de motor

4. Motorul cu magneți permanenți

Reprezentarea schematică a motorului cu magneți permanenți este dată în figura următoare :

Schema electrică a unui motor de curent continuu cu magneți permanenți

Motoarele cu magneți permanenți pot fi de diverse construcții – cu rotor cilindric (întrefier radial) sau cu rotor disc (întrefier axial).

Există tipuri variate de magneți pentru realizarea statorului. Una dintre soluții, care asigură energii specifice mari, este aceea de utilizare a magneților cu pământuri rare – de exemplu, samariu-cobalt (SmCo5 , Sm2Co17) sau neodim-fier-bor (NdFeB). Se pot realiza, astfel, motoare cu puteri de ordinul zecilor de kilowați și chiar peste 100 kW, încât utilizarea lor pentru automobilele electrice sau hibride nu constituie o problemă.

În prezent, un dezavantaj al utilizarii magneților cu pământuri rare îl constituie prețul relativ ridicat, dar, o dată cu dezvoltarea noilor tehnologii, prețul este în continuă scădere. Mai mult, este de așteptat o îmbunătățire a caracteristicilor magneților cu NdFeB (în prezent, pot fi probleme determinate de scăderea intensității câmpului magnetic cu temperatura)

Motoarele cu rotor disc au tensiuni de alimentare de cca 30-60 V, iar puterile la care se construiesc sunt de ordinul kilowaților. Ele au raport mic între dimensiunile de gabarit lungime/diametru (motoare plate), ocupând astfel un spațiu mic în lungul axului.

Toate aceste caracteristici au facut ca motoarele cu rotor disc să fie preferate la acționarea bicicletelor și a scuterelor electrice. Este posibilă utilizarea lor și pentru acționarea unor automobile electrice sau hibride, mai ales a celor cu mai multe roți motoare cu acționare individuală.

Familia de caracteristici mecanice M()

Figura reprezintă familia de caracteristici mecanice M() ale motorului de curent continuu cu magneți permanenți, pentru realizarea caracteristicilor de tracțiune ale unui automobil electric sau hibrid.

Motoarele de curent continuu cu magneți permanenți, indiferent de tipul lor, au caracteristici similare motoarelor cu excitație separată, dar nu li se poate aplica slăbirea de câmp.

Avantajele motoarelor cu magneți permanenți sunt determinate de dispariția înfașurării de excitație, cu tot ce implică aceasta: dispariția sursei de excitație (inclusiv echipamentul de comandă aferent) , precum și a pierderilor de excitație. Ca urmare, randamentul este mai ridicat, iar răcirea este mai bună, conducând la reducerea dimensiunilor și greutații motorului – deci, la creșterea puterii sale specifice. Pentru plaja de puteri necesare automobilelor electrice, randamentul este de 90 – 92 %, comparativ cu 85 – 90% în cazul motoarelor cu excitație serie sau separată. În plus, rămân valabile avantajele legate de rigiditatea caracteristicilor mecanice, de simplitatea trecerii în regim de frână electrică și de eficiența frânării electrice la viteze mici menționate în cazul motorului cu excitație separată.

Este de remarcat, însă, costul mai ridicat al motorului cu magneți permanenți datorat costului actual încă ridicat al magneților cu energii specifice mari. Dacă se are în vedere, însă, costul total – de construcție și exploatare al unui automobil electric sau hibrid – acest cost poate deveni favorabil utilizării motorului cu magneți permanenți (ținând seama și de celelalte avantaje ale acestui motor) pentru acționarea automobilelor electrice sau hibride.

5. Comanda motoarelor de curent continuu

Pentru comanda motoarelor de curent continuu sunt folosite, în principiu, doua metode: modificarea tensiunii aplicate indusului (la toate tipurile de motoare) și slăbirea de câmp (la motorul cu excitație separată).

Pentru regimul de tracțiune, schema de principiu care utilizează VTC este prezentată în figura 2 de mai jos.

În esență, se pot evidenția patru blocuri ale schemei : bateria (B), filtrul (LF,CF), VTC propriu-zis și motorul.

Fig. 2.

VTC este reprezentat de comutatorul static CS și de dioda de regim liber D. Comutatorul static poate fi, în principiu, realizat cu diverse tipuri de dispozitive semiconductoare comandabile: tiristor convențional rapid (cu circuitul de stingere forțată aferent), tiristor cu stingere pe poartă ( GTO ), tranzistor de putere bipolar (Darlington), tranzistor bipolar cu poartă izolată ( IGBT ), etc. Actualmente, pentru automobilele electrice sau hibride, cel mai indicat este să se realizeze comutatorul static cu IGBT, acesta construindu-se, curent, până la 1800V, 800A și putând funcționa la frecvențe de până la 20 kHz ( uzual, 5-15 kHz ). Având în vedere că, de regulă, bateriile au tensiuni de cca 100-500 V, rezultă că se pot acționa astfel, fără probleme, vehicule electrice cu puteri maxime de până la cca 200 kW (considerând coeficienții de siguranță corespunzători, în tensiune și curent).

Motorul poate fi de orice tip în circuitul indusului său fiind inclusă și bobina de netezire LN. Aceasta din urmă poate să lipsească dacă circuitul propriu al indusului motorului are o inductanță suficientă. Dimensiunile bobinei LN ( ca și ale filtrului LF, CF ) sunt cu atât mai mici cu cât frecvența de lucru a VTC este mai ridicată, ceea ce justifică dorința de a folosi dispozitive semiconductoare de frecvențe ridicate. De regulă, la frecvențele admise de IGBT, se poate renunța la LF, filtrul reducându-se la un condensator CF de mici dimensiuni.

Cu ajutorul VTC, se aplică circuitului indusului motorului o tensiune u de forma unor pulsuri ca în figura 3.a., prin închiderea ( conectarea ) și deschiderea (deconectarea) periodică a lui CS. La conectare ( pe intervalele de durată tc ), neglijând căderile de tensiune între baterie și motor, se obține u = UB ; curentul prin motor i=iCS ( dioda D blocată ) crește cuasiexponențial, iar în inductanțele circuitului indusului se acumulează energie magnetică. La deconectarea lui CS ( pe intervalele de durată td ), energia magnetică acumulată anterior nu se poate anula brusc și se descarcă prin dioda D, obligând-o să intre în conducție, astfel încât curentul prin motor este i = iD

Fig. 3.

Acesta scade cuasiexponențial și se consideră că inductanța totală a circuitului indusului este suficient de mare pentru ca să nu se anuleze ( funcționare cu curent neântrerupt ). Pe aceste intervale, tensiunea u este egală cu căderea de tensiune pe dioda D aflată în conducție, deci neglijabilă ( u 0 ). Valoarea medie pe periodă T = tc+td a tensiunii u este :

U =

Unde: a = tc/T este factorul de umplere ( factorul de comandă ).

Modificând factorul de comandă, teoretic în intervalul a 0,1, se modifică valoarea medie a tensiuni u în intervalul U 0,UB. Aceasta se poate face în mai multe moduri:

prin modificarea duratei tc a impulsurilor (modularea în lățime a impulsurilor, MLI – în engleză PWM), menținând constantă frecvența lor f = 1/T;

prin modificarea frecvenței f = 1/T a impulsurilor (modularea în frecvență a impulsurilor, MFI – PFM), menținând constant tc sau td;

prin modificarea combinată a lățimii și a frecvenței impulsurilor.

Cel mai des este folosită modularea în lățime a impulsurilor, ea permițând o dimensionare mai ușoară a filtrului de intrare și a bobinei de netezire.

Curentul i prin motor are forma din figura 4.b., cu valoarea medie:

În cazul unei inductanțe de netezire foarte mari (LN ), curentul prin motor este, practic, continuu i= I (fig. 2c).

În cazul în care nu ar exista filtru de intrare, curentul prin baterie ar fi identic cu curentul prin CS (iB=iCS), având, pentru LN , forma din figura 4.a. și valoarea medie:

Fig. 4.

La pornirea motorului, se aplică tensiuni U scăzute (deci, este mic), dar curentul I este relativ mare, astfel că prin baterie circulă pulsuri de curent de lățime mică dar de amplitudine ridicată. Acesta face ca randamentul intern al bateriei să fie scăzut în perioada pornirii, ceea ce – în final – are efecte negative asupra autonomiei automobilului.

Pentru a crește autonomia, este necesară o reducere a ondulațiilor curentului prin baterie, ceea ce justifică utilizarea filtrului de intrare. În cazul ideal, când CF = , curentul prin baterie este perfect continuu (pentru LN = , iB = IB = I – fig.3b)

6. Probleme privind selecția motorului

Selecția motoarelor de tracțiune cere atenție specială asupra abilitații lor de a-și extinde domeniul de viteză și conturarea eficienței. Unele tipuri de motoare asigură proprietatea de a funcționa cu o gamă largă de viteze extinse. Un exemplu este motorul DC cu excitație separată. Oricum, principalele probleme ale motorului DC sunt acomutatoarele și periile lui care limitează viteza maximă a motorului, creează scântei și necesită întreținere regulată. Motorul de inducție ( IM ) poate obține o largă gamă de viteze cu controlul câmpului orientat. Tehnologia binecunoscută și existența infrastructurii de fabricare face IM liderul de azi al tehnologiei motoarelor în aplicațiile EV-HEV . Oricum, nelinearitatea modelului IM dinamic și dependența de parametrii morotului face controlul complex.

Motorul cu rezistență dublă (SRM) generează caracteristici tip serie cuplu-viteză și are abilitatea de a susține cuplul deasupra vitezei de bază prin “ înaintarea fazelor “. Această tehnică de control este deasemenea neliniară și dependentă de mașină. De aceea SRM ar trebui considerat un candidat serios pentru EV, HEV de serie și HEV paralel redus hibridizat .

În motorul cu magnet permanent (PMM), efectul de demagnetizare limitează abilitatea lor de a-și extinde domeniul de viteză. Cu un raport de viteză extinsăde 2x, PMM poate fi un bun candidat pentru HEV paralel hibridizat 50%. Oricum, costul, siguranța și răcirea sunt alte probleme importante legate de PMM.

Magneții mari pentru PMM de mare putere sunt scumpi. Câmpul permanent poate cauza consecințe severe în timpul scurt circuitelor . Deasemenea, magneții sunt sensibili la temperaturi înalte. Precauții în plus trebuie să fie luate pentru a ține magnetul rece, sau altfel, eficiența motorului scade drastic. Demagnetizarea poate apare la “ temperatura Curie “.

În privința problemei eficienței energiei, selecția unui tip potrivit de motor de tracțiune este foarte complicată. Eficiența motorului este influențată semnificativ de calitatea materialului, parametrii de design și tehnologia de control. Din nou, poziția de eficiență conturată în harta cuplu-viteză este deasemenea legată de tipul motorului . Pentru a investiga aceasta, ne concentrăm asupra pierderilor de cupru și fier, pentru că sunt pierderile dominante ale motoarelor.

Piederea în cupru este proporțională cu valoarea curentului motorului. În IM și SRM, o parte din curent este deasemenea curentul de magnetizație al motorului, care produce pierderi de magnetizație sau excitație. PMM este excitat natural prin magneți și, deci, nu are pierderi de excitație. Oricum, acesta este cu adevarat sub viteza de bază a motorului. Deasupra vitezei de bază, PMM necesită excitare externă pentru a slăbi câmpul său magnetic natural existent. De aceea, cuplul față de pierderile de cupru este inerent sub viteza de bază în PMM.

IM și SRM suferă de penalitatea excitației sub viteza de bază. Pierderea excitației descrește deasupra vitezei de bază în IM în timp ce metodele “slăbirii câmpului “ este gata. De aceea, momentul de torsiune fața de pierderile de cupru crește deasupra vitezei de bază în IM. Oricum, separat de pierderea excitației, IM deasemenea are piedere de cupru dependenta de rotor. Acesta crează atracție de caldură de la miezul rotorului. În cazul SRM, pierderile de excitație nu pot fi identificate separat de pierderile de cupru. A fost relatat că cuplul față de amper crește deasupra vitezei de bază în SRM. Oricum, foarte puține date testate au fost publicate în această privință.

La o viteză mare, pierderile de fier devin importante. Pierderile de fier sunt o funcție a densitații fluxului și o alternare a frecvenței fluxului. PMM-ul are magneți rotorici. De aceea, are pierderile de fier teoretic zero. Singurele perderi de fier în PMM sunt în partea statorului. IM și SRM au pierderi de fier și la stator și la rotor. Harri și Miller au estimat pierderi de fier mai puține la SRM în comparație cu IM din cauza încarcarii magnetice relativ mici. Oricum, variația perderilor de fier în SRM desupra și sub viteza de bază nu a fost studiată în trecut. Noi investigam în momentul de față modelul de eficiență în SRM.

Pe baza studiilor noastre preliminare asupra lărgimii capacității domeniului vitezei și a eficienței energiei, PMM este un motor potrivit pentru o mașină hibridizată 50% din cauza eficienței superioare în regim constant al momentului de torsiune. Oricum, pentru o mașină hibridizată 20%, SRM poate fi o alegere bună pentru a se extinde capacitatea domeniului vitezei și o eficiență destul de bună ( egală sau mai bună decât a IM ) la un regim de putere constantă.