Desain penulis mewakili kata baru dalam pengembangan motor listrikPada dekade pertama abad ke-20, 38% dari semua mobil di Amerika Serikat ditenagai oleh listrik - dan persentase ini turun menjadi hampir nol dengan pertumbuhan dominasi ICE pada tahun 1920-an. Keinginan hari ini untuk menghemat energi dan mengurangi emisi berbahaya telah menghembuskan kehidupan baru ke dalam mobil listrik, tetapi biaya tinggi dan jarak tempuh yang terbatas menghalangi penjualan.
Sebagian besar upaya untuk menyelesaikan masalah ini terkait dengan peningkatan baterai. Tentu saja, meningkatkan sistem penyimpanan energi, apakah itu sel baterai atau sel bahan bakar, harus tetap menjadi bagian dari strategi apa pun untuk meningkatkan kendaraan listrik, tetapi ada potensi untuk perbaikan pada komponen mendasar lain dari mobil: di motor. Selama empat tahun terakhir, kami telah mengerjakan konsep baru untuk motor traksi yang digunakan pada kendaraan listrik dan truk. Perkembangan terakhir kami sangat meningkatkan efisiensi dibandingkan dengan model konvensional - cukup untuk membuat mobil listrik lebih praktis dan terjangkau.
Tahun lalu, kami membuktikan kinerja motor kami dalam tes laboratorium komprehensif, dan meskipun masih jauh dari menempatkannya di dalam mobil, kami memiliki banyak alasan untuk percaya bahwa itu akan muncul dengan sendirinya di sana. Motor kami akan dapat meningkatkan jarak tempuh kendaraan listrik modern, bahkan jika kami tidak membuat kemajuan dalam teknologi baterai.
Untuk memahami kerumitan tugas kita, perlu diingat dasar-dasar rangkaian motor listrik (EM). Dibandingkan dengan ICE, EM lebih sederhana, mereka hanya memiliki beberapa komponen penting. Mekanik membutuhkan perumahan. Disebut stator karena tidak bergerak. Dibutuhkan rotor, poros berputar, dan torsi. Agar motor dapat bekerja, stator dan rotor harus berinteraksi menggunakan magnet, mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.
Konsep motor berbeda persis dalam bidang antarmuka magnetik. Pada motor kolektor DC, arus mengalir melalui sikat yang meluncur di sepanjang unit kolektor. Arus mengalir melalui kolektor dan mentransfer energi ke belitan pada rotor. Belitan ditolak oleh magnet permanen atau elektromagnet stator. Sikat, meluncur di sepanjang kolektor, secara berkala mengubah arah arus, dan magnet rotor dan stator saling tolak saling tolak, sehingga rotor berputar. Dengan kata lain, gerakan rotasi disediakan oleh medan magnet yang berubah yang dihasilkan oleh kolektor yang menghubungkan kumparan ke sumber arus dan secara siklus mengubah arah arus ketika rotor berputar. Namun, teknologi ini membatasi torsi dan menderita keausan; itu tidak lagi digunakan dalam traksi EM.
Kendaraan listrik modern menggunakan arus bolak-balik dari inverter. Di sini medan magnet berputar dinamis dibuat di stator, dan bukan di rotor. Ini memungkinkan kita untuk menyederhanakan sirkuit rotor, yang biasanya lebih kompleks daripada stator, yang memfasilitasi semua tugas yang terkait dengan pengembangan EM.
Ada dua jenis motor AC: asinkron dan sinkron. Kami akan fokus pada sinkronisasi, karena mereka biasanya bekerja lebih baik dan lebih efisien.
Sistem pendingin canggih melakukan cairan langsung melalui koil (kiri) dan bukan melalui penutup motor (kanan)Motor sinkron juga terdiri dari dua jenis. Yang lebih populer adalah mesin sinkron magnet permanen (PMSM), yang menggunakan magnet permanen yang terpasang pada rotor. Untuk membuatnya berputar, medan magnet berputar diatur dalam stator. Bidang ini diperoleh karena belitan stator terhubung ke sumber AC. Selama operasi, kutub magnet permanen rotor ditangkap oleh medan magnet rotator stator, yang membuat rotor berputar.
Skema seperti itu, yang digunakan di Chevrolet Volt dan Bolt, di BMW i3, di Nissan Leaf dan banyak mobil lain, dapat mencapai efisiensi puncak 97% di puncaknya. Magnet permanen biasanya terbuat dari tanah jarang; contoh mencolok adalah magnet neodymium yang sangat kuat yang dikembangkan pada tahun 1982 oleh General Motors dan Sumitomo.
Motor listrik sinkron pole-sinkron [Salient-pole syncous machines, SPSM)] menggunakan elektromagnet daripada konstanta di dalam rotor. Polandia adalah gulungan dalam bentuk pipa yang diarahkan ke luar, seperti jari-jari roda. Elektromagnet dalam rotor ini ditenagai oleh sumber arus searah yang terhubung dengannya melalui slip ring. Cincin kontak, tidak seperti pengumpul, tidak mengubah arah arus. Kutub utara dan selatan rotor statis, dan sikat tidak cepat aus. Seperti halnya PMSM, rotor berputar karena rotasi medan magnet stator.
Karena kebutuhan untuk memasok elektromagnet rotor melalui cincin slip, motor ini biasanya memiliki efisiensi puncak yang sedikit lebih rendah - dalam kisaran 94-96%. Keuntungan dari PMSM adalah kemampuan rotor lapangan yang dapat disesuaikan, yang memungkinkan rotor menghasilkan torsi dengan lebih efisien pada kecepatan tinggi. Efisiensi total saat digunakan untuk mempercepat mobil meningkat. Satu-satunya pabrikan mesin seperti itu dalam mobil yang diproduksi secara massal adalah Renault dengan model Zoe, Fluence, dan Kangoo.
Mobil listrik harus dibangun dengan tidak hanya efektif, tetapi juga komponen ringan. Cara yang paling jelas untuk meningkatkan rasio power-to-weight adalah mengurangi ukuran motor. Namun, mesin seperti itu akan menghasilkan lebih sedikit torsi untuk kecepatan rotasi yang sama. Karena itu, untuk mendapatkan lebih banyak energi, perlu memutar motor pada kecepatan yang lebih tinggi. Mobil listrik saat ini berjalan pada 12.000 rpm; pada generasi berikutnya akan ada motor yang beroperasi pada 20.000 rpm; pekerjaan sudah berjalan pada motor yang beroperasi pada kecepatan 30.000 rpm. Masalahnya adalah bahwa semakin tinggi kecepatan, semakin sulit gearbox - kecepatan motor terlalu jauh lebih tinggi daripada kecepatan roda. Kompleksitas dari gearbox menghasilkan hilangnya energi yang besar.
Badai yang ideal: dalam versi penulis (di atas), gaya Lorentz dan induktansi bias (abu-abu) digabungkan menjadi kekuatan total maksimum (biru) sama dengan 2. Pada motor konvensional (di bawah), jumlah dua gaya - gaya Lorentz dan hambatan magnet (abu-abu) memberikan gaya total ( biru), mencapai puncak hanya 1,76, dengan sudut putaran rotor 0,94 rad. Perbedaan dalam contoh ini adalah 14%Pendekatan kedua untuk meningkatkan rasio power-to-weight adalah meningkatkan kekuatan medan magnet, yang meningkatkan torsi. Ini adalah arti menambahkan inti besi ke koil - meskipun ini meningkatkan berat, itu juga meningkatkan kepadatan fluks magnetik dengan dua urutan besarnya. Karena itu, hampir semua EM modern menggunakan inti besi di stator dan rotor.
Namun, ada yang minus. Ketika kekuatan medan meningkat hingga batas tertentu, besi kehilangan kemungkinan meningkatkan kerapatan fluks. Kejenuhan ini dapat dipengaruhi sedikit dengan menambahkan aditif dan mengubah proses pembuatan besi, tetapi bahkan bahan yang paling efisien dibatasi hingga 1,5 V * s / m
2 (volt per detik per meter persegi, atau Tesla, T). Hanya bahan vakum kobalt-besi yang sangat mahal dan langka yang dapat mencapai kerapatan fluks magnetik 2 T atau lebih.
Dan akhirnya, cara standar ketiga untuk meningkatkan torsi adalah memperkuat medan dengan memperkuat arus yang melewati kumparan. Sekali lagi, ada batasan. Tingkatkan arus, dan hilangnya hambatan akan meningkat, efisiensi akan berkurang dan panas akan muncul yang dapat merusak motor. Untuk kabel, Anda dapat menggunakan logam yang menghasilkan arus lebih baik daripada tembaga. Kabel perak juga ada, tetapi penggunaannya dalam perangkat seperti itu akan sangat mahal.
Satu-satunya cara praktis untuk meningkatkan arus adalah dengan mengendalikan panas. Solusi pendinginan canggih melakukan fluida tepat di sebelah kumparan, dan tidak lebih jauh dari mereka, di luar stator.
Semua langkah ini membantu meningkatkan rasio berat terhadap tenaga. Pada mobil balap listrik, di mana biayanya tidak masalah, mesinnya dapat mencapai 0,15 kg per kilowatt, yang sebanding dengan ICE terbaik dari Formula 1.
Siswa
dan saya mengembangkan dan menciptakan motor listrik berkinerja tinggi untuk mobil yang
berpartisipasi dalam Formula siswa tiga tahun lalu. Kami menciptakan motor di
laboratorium kami di Institut Elektroteknik Institut Teknologi Karlsruhe. Setiap tahun, tim menciptakan mesin baru dengan motor, gearbox, dan elektronik daya yang lebih baik. Mobil itu memiliki empat motor, satu per roda. Masing-masing hanya berdiameter 8 cm, panjang 12 cm, dan berat 4,1 kg, dan menghasilkan 30 kW secara berkelanjutan dan 50 kW pada puncaknya. Pada 2016, tim kami
memenangkan kejuaraan dunia .
Jadi ini benar-benar bisa dilakukan jika biaya tidak mengganggu Anda. Pertanyaan utamanya adalah apakah mungkin menggunakan teknologi yang meningkatkan efisiensi dalam produksi massal, di mesin yang dapat Anda beli? Kami menciptakan motor seperti itu, jadi jawaban untuk pertanyaannya adalah ya.
Kami mulai dengan ide sederhana. Motor listrik berfungsi baik dalam peran motor maupun peran generator, meskipun simetri seperti itu tidak terlalu diperlukan untuk kendaraan listrik. Mobil membutuhkan motor yang berfungsi lebih baik sebagai motor daripada sebagai generator - yang terakhir hanya digunakan untuk mengisi baterai selama pengereman regeneratif.
Untuk memahami ide ini, pertimbangkan pengoperasian motor PMSM. Dalam motor seperti itu, dua kekuatan menciptakan gerakan. Pertama, gaya yang timbul karena magnet permanen di rotor. Ketika arus mengalir melalui gulungan tembaga stator, mereka menciptakan medan magnet. Seiring waktu, arus mengalir dari satu koil ke koil lain dan menyebabkan medan magnet berputar. Medan stator yang berputar menarik magnet permanen rotor, dan rotor mulai bergerak. Prinsip ini didasarkan pada gaya Lorentz, yang mempengaruhi pergerakan partikel bermuatan dalam medan magnet.
Tetapi EM modern menerima bagian dari energi dari resistensi magnetik - gaya yang menarik blok besi ke magnet. Medan stator yang berputar menarik magnet permanen dan besi rotor. Gaya Lorentz dan resistensi magnetik bekerja berdampingan, dan - tergantung pada sirkuit motor - kira-kira sama satu sama lain. Kedua gaya kira-kira sama dengan nol ketika medan magnet rotor dan stator disejajarkan. Dengan peningkatan sudut di antara mereka, motor menghasilkan energi mekanik.
Pada motor sinkron, bidang stator dan rotor bekerja bersama, tanpa penundaan yang ada pada mesin asinkron. Medan stator berada pada sudut tertentu terhadap medan rotor, yang dapat disesuaikan selama operasi untuk mencapai efisiensi maksimum. Sudut optimal untuk membuat torsi pada arus yang diberikan dapat dihitung di muka. Kemudian menyesuaikan, saat perubahan saat ini, ke sistem elektronik daya yang memberikan arus bolak-balik ke belitan stator.
Tapi di sini masalahnya: ketika medan stator bergerak dalam kaitannya dengan posisi rotor, gaya Lorentz dan tahanan magnet bertambah atau berkurang. Gaya Lorentz meningkat pada sinusoid, mencapai puncak 90 derajat dari titik referensi (dari titik di mana bidang stator dan rotor disejajarkan). Kekuatan resistensi manik berubah secara siklis dua kali lebih cepat, oleh karena itu, mencapai puncaknya pada 45 derajat.
Karena gaya memuncak pada titik yang berbeda, daya motor maksimum kurang dari jumlah bagian-bagiannya. Misalkan, untuk motor tertentu pada saat kerja tertentu, ternyata sudut optimal untuk gaya total maksimum adalah 54 derajat. Dalam hal ini, puncak ini akan menjadi 14% kurang dari total puncak kedua kekuatan. Ini adalah kompromi terbaik dari skema ini.
Jika kita dapat membuat kembali motor ini sehingga kedua kekuatan mencapai maksimum pada satu titik dalam siklus, daya motor akan meningkat sebesar 14% secara gratis. Anda hanya akan kehilangan efisiensi operasional sebagai generator. Tapi kami, seperti yang akan ditunjukkan di bawah, telah menemukan cara untuk mengembalikan kemampuan ini, sehingga motor lebih baik memulihkan energi selama pengereman.
Pengembangan medan motor yang naik level sempurna bukanlah tugas yang mudah. Masalahnya adalah kombinasi PMSM dan SPSM dalam skema hybrid baru. Hasilnya adalah motor sinkron hibrida dengan sumbu offset resistensi magnetis. Bahkan, motor ini menggunakan kabel dan magnet permanen untuk menciptakan medan magnet di rotor.
Yang lain mencoba bekerja ke arah ini, dan kemudian menolak gagasan ini - tetapi mereka ingin menggunakan magnet permanen hanya untuk memperkuat medan elektromagnetik. Inovasi kami adalah menggunakan magnet hanya untuk memberikan medan pada bentuk yang tepat agar dapat menyelaraskan kedua kekuatan secara optimal - gaya Lorentz dan kekuatan resistensi magnetik.
Masalah utama dalam pengembangan adalah menemukan desain rotor yang dapat mengubah bentuk medan, namun tetap cukup kuat untuk berputar pada kecepatan tinggi tanpa putus. Di tengah sirkuit kami adalah struktur rotor multilayer yang membawa belitan tembaga pada inti besi. Kami menempelkan magnet permanen ke kutub inti; paku tambahan mencegah mereka terbang keluar. Untuk menjaga semuanya tetap di tempatnya, kami menggunakan pin titanium yang kuat dan ringan, melewati kutub elektromagnetik rotor, yang ditarik oleh mur ke cincin baja tahan karat.
Kami juga menemukan cara untuk mengatasi kerugian dari motor asli, mengurangi torsi selama pengoperasian generator. Sekarang kita dapat mengubah arah medan di rotor sehingga generasi saat pengereman regeneratif bekerja seefisien mode motor.
Kami mencapai ini dengan mengubah arah arus dalam belitan rotor selama operasi dalam mode generator. Ini berfungsi sebagai berikut. Bayangkan penampilan asli rotor. Jika Anda berjalan di sepanjang perimeternya, Anda akan menemukan urutan tertentu dari kutub utara dan selatan dari sumber elektromagnetik (E) dan magnet permanen (P): NE, NP, SE, SP. Urutan ini diulang sebanyak yang ada pasangan tiang di motor. Dengan mengubah arah arus dalam belitan, kami mengubah orientasi kutub elektromagnetik, dan hanya mereka, sebagai hasilnya, urutan berubah menjadi SE, NP, NE, SP.
Setelah mempelajari dua urutan ini, Anda akan melihat bahwa yang kedua mirip dengan yang pertama, mundur. Ini berarti bahwa rotor dapat digunakan dalam mode motor (urutan pertama) atau dalam mode generator (kedua), ketika arus di rotor berbalik arah. Dengan demikian, mesin kami bekerja lebih efisien daripada motor konvensional, baik sebagai motor maupun sebagai generator. Pada prototipe kami, mengubah arah arus tidak lebih dari 70 ms, yang cukup cepat untuk mobil.
Tahun lalu, kami membangun motor prototipe di atas meja kerja dan melakukan pengujian yang ketat. Hasilnya jelas: dengan elektronika daya yang sama, parameter stator, dan batasan lain dari motor konvensional, mesin ini mampu menghasilkan torsi hampir 6% lebih banyak dan efisiensi 2% lebih tinggi pada puncaknya. Dalam siklus mengemudi, hasilnya bahkan lebih baik: membutuhkan energi 4,4% lebih sedikit. Ini berarti bahwa mobil yang melaju dengan sekali pengisian 100 km akan menempuh jarak 104,4 km dengan mesin ini. Jarak ekstra yang kita peroleh hampir tanpa hasil, karena dalam skema kami hanya ada beberapa bagian tambahan, yang jelas lebih murah daripada baterai tambahan.
Kami menghubungi beberapa produsen peralatan, dan mereka menemukan konsep kami menarik, meskipun masih akan lama sebelum Anda melihat salah satu motor asimetris ini di mobil produksi. Tetapi sebagai hasilnya, itu akan menjadi standar baru, karena ekstraksi dari semua manfaat yang mungkin dari energi yang Anda miliki adalah prioritas bagi pembuat mobil dan seluruh masyarakat kita.