Az első alumínium motor

A Ricardo által kifejlesztett „AluMotor” egy új generációs, ritkaföldfém-mentes szinkron reluktancia motor, melyet kifejezetten nagy hatásfokú villamos hajtásláncokhoz terveztek. A hajtásrendszer fő rendeltetése, hogy alternatívát kínáljon a hagyományos állandó mágneses motorokkal szemben, csökkentve az ellátási lánc kockázatát és a nyersanyagköltségeket, ezáltal a gyártók önköltségeit.

A motor villamos felépítése alumínium tekercselésű állórészre épül, amely szigetelő gyantaréteggel és hőstabil kompozit bevonattal van ellátva. A rotor mágnesmentes kialakítású, reluktancia elv alapján működő profilírozott forgórésszel, amelyet úgy terveztek, hogy a mágneses nyomaték maximálása mellett minimalizálja a veszteségeket. A ház anyaga általában öntött alumínium vagy hővezető kompozit, integrált hűtőcsatornákkal és rögzítési pontokkal. A mechanikai egységek közé tartoznak a nagy fordulatszámra optimalizált, zárt kivitelű golyóscsapágyak, valamint a DIN szabvány szerinti illesztett tengelykapcsolatok. A rendszer 400–800 V névleges egyenfeszültségű inverterrel működtethető, PWM frekvenciája 8–20 kHz tartományban szabályozott, jellemzően FOC (Field-Oriented Control) algoritmussal.

Reluktancia elv: az elektromos gépek egyik speciális működési alapelve, amely a mágneses tér viselkedésének irányfüggő tulajdonságait használja ki. Lényege, hogy egy adott mágneses körben a mágneses fluxus mindig azon az útvonalon halad, ahol a mágneses ellenállás (reluktancia) a legkisebb. A reluktancia a mágneses tér analógiája az elektromos ellenállásnak: nagyban függ az adott anyag mágneses permeabilitásától és a geometriai kialakítástól. Ha a rendszer úgy van felépítve, hogy a mágneses tér egyértelműen alacsony reluktanciájú irányokat „lát”, akkor ezek felé fog törekedni – ez a törekvés hozza létre a reluktancia nyomatékot.

Működése során a motor különböző részüzemmódjai bírnak kiemelt jelentőséggel: a nyomatékvezérelt haladás mellett képes regeneratív fékezésre és visszaterhelési funkciókra is. A nyomatékgörbe két zónára osztható: állandó nyomaték- és állandó teljesítmény tartományra. A rendszer termikus menedzsmentje kritikus fontosságú, mivel az alumínium tekercsek magasabb elektromos ellenállása nagyobb Joule-veszteséggel jár, ami indokolja fejlett termomenedzsment alkalmazását: a motor léghűtéses vagy zárt rendszerű folyadékhűtéses konfigurációban is elérhető. Pneumatikus alrendszer nem kapcsolódik közvetlenül a működéshez, viszont a rendszerintegráció során figyelembe vehető a légkondicionáló és hőszivattyús rendszerek hatása a teljes energiamérlegre.

A motor igénybevétele elsősorban dinamikus - igénybevétel: gyakori terhelésváltások, ciklikus gyorsítás-fékezés, valamint nagy fordulatszám-tartományban való tartós működés jellemzi. Gépészeti szempontból kihívás ezeknél a konstrukcióknál a csapágyfáradás, rotor-kiegyensúlyozatlanság okozta vibráció, illetve a ház repedése túlzott mechanikai rezonanciák esetén. Villamos kihívások közé tartozik a tekercselés túlmelegedése, szigetelési öregedés, illetve a részleges kisülések megjelenése nagyfeszültségű üzemben. Inverteroldalon például a túlfeszültség-tüskék vagy a vezérlési hibák – amelyek szintén veszélyeztethetik a motor élettartamát – jelentenek konstruktőri kihívást. Folyadékhűtéses verziókban kihívás lehet a hűtőfolyadék szivárgás, a hőcserélő szennyeződés, vagy a „vízpumpa” kiesés miatti termikus túlterhelés.

A rendszer új generációs követelményprofiljából fakadóan számos alrendszerrel szemben emelkedett igények jelentkeznek. A reluktancia-motorok működése miatt az inverter vezérlését kifejezetten kritikus, hogy a motor mindig a legjobb mágneses hatásfokkal működjön. A 800 voltos rendszerekhez szükség van szigetelőrendszer innovációkra, ami nemcsak az érintésvédelmi biztonságot, hanem az elektroszmog (EMC) megfelelőséget is biztosítja. Gépészeti szempontból a vibráció a fő szereplő, kiemelt szempont a rezgések csillapítása, mivel a mágnes nélküli rotor sajátos rezgésmintákat generálhat.

Összességében az AluMotor egy korszerű, költség- és erőforrás-hatékony alternatívát kínál a jelenlegi villamos hajtásláncokhoz. A ritkaföldfém-mentes kialakítás mellett képes megfelelni a korszerű elektromobilitási elvárásoknak, különös figyelemmel a hő- és energiamenedzsment, a megbízhatóság, valamint a karbantarthatóság szempontjaira.

Forrás: automotivepowertraintechnologyinternational.com, Ricardo