Az elektromotorok bemutatása II.

A cikksorozat első részében elkezdtük tárgyalni az elektromotorok történetét, illetve felsoroltunk főbb típusait és bemutattuk a legfontosabb alkotóelemeket. Ebben a cikkben tovább lépünk, és kifejezetten a gépkocsikban előforduló erőforrásokkal fogunk foglalkozni – egészen pontosan egy konkrét típussal, a háromfázisú aszinkronmotorral.

Noha sokan csak villanymotorként hivatkoznak a mai elektromos autók aggregátjára, valójában itt sincs egyértelmű konszenzus a gyártók között abban, hogy melyik a legmegfelelőbb motortípus. A háromfázisú aszinkron változat népszerűnek számít a piacon, mi pedig igyekszünk a cikkben okokkal alátámasztani ezt.

Általános leírás

A háromfázisú aszinkronmotor, más néven indukciós motor általános értelemben is az egyik legelterjedtebb villamos gép, mindemellett az egyik legegyszerűbb is. Egyfázisú változata is létezik, ezeket jellemzően kisebb teljesítményigényű feladatokra alkalmazzák.

Működés

Ahogy az első cikk általános leírásában, itt is elmondható, hogy a motor két fő részre tagolódik: forgó- és állórészre. Ez utóbbin többfázisú tekercselés található, mely forgó mágneses mezőt hoz létre. A mező erővonalai metszik a forgórész tekercselését, ezáltal feszültséget indukálnak benne.

A tekercselés zárt vagy rövidre zárt áramkört alkot, ezért az abban indukálódó feszültség hatására áram folyik a villamos körben. Az indukált áram az őt létrehozó folyamatot igyekszik megakadályozni (ez a Lenz-törvény), ezért a forgórész elfordul, hogy megelőzze az erővonalak metszését, és egyúttal az indukciót.

Ha a forgórész paraméterei elérik az állórész mágneses mezőjének értékét, akkor megszűnik az erővonalmetszés. Ez a gyakorlatban nem történik meg, a forgórész mindig „késésben van”. Ezt a késést nevezzük szlipnek.

Ennek értékét a következőképpen számíthatjuk ki:

s = (n₀-n)/n₀

ahol:

• s a szlip értéke
• n₀ a szinkron fordulatszám
• n az aktuális fordulatszám

Bizonyos szakterületeket a szlipet szokás százalékban is kifejezni, ilyenkor egy extra szorzóval módosul a képlet:

s% = ((n₀-n)/n₀) ∙ 100

Hogy pontosan hol az a fordulatszám, amikor az állórész és a forgórész szinkronba kerülne, azt az alábbi formulával határozhatjuk meg:

n₀ = f/p

ahol:

• n₀ a szinkron fordulatszám
• f a hálózati frekvencia
• p a póluspárok száma

A fent taglaltak alapján belátható, hogy a szlip álló forgórész esetén 1-et, szinkron fordulatszámon pedig 0-t ad. Az 1-es szlip természetesen azt jelenti, hogy az aszinkron gép áll, viszont nulla szlipnél sem képes nyomatékot átadni, mivel nincs indukált feszültség.

Ebből egyenesen következik, hogy a motor terhelt állapotban képtelen szinkron fordulatszámon üzemelni, egy minimális szlipre mindig szüksége van a működéshez. A motor két fő része tehát soha nincs szinkronban – innen az aszinkron elnevezés.

Ebből ered az egyik legkellemetlenebb hátránya is: mivel nem képes szinkronfordulatszámon üzemelni, állandó terhelésnél is zárt láncú fordulatszámszabályzást igényel. Emellett háromfázisú, frekvenciaváltós táplálást igényel

Ugyanakkor így is a legrobosztusabb motortípus, egyszerű, kompakt, és gyakorlatilag karbantartásmentes, ennélfogva hátrányai ellenére is kiváló megoldás közúti járművek hajtására.

Felépítés

Általános esetben a háromfázisú aszinkronmotor forgórésze és állórésze is lemezelt. Ennek oka az örvényáramú veszteségek elkerülése. Az állórész két- vagy háromfázisú tekercseléssel van ellátva, a forgórész pedig vagy kalickás vagy szintén tekercselt kialakítású.

A két fő szerkezeti típus közül az egyik a csúszógyűrűs aszinkron gép. Ennek a forgórészén a tekercselés végpontjai egy csúszógyűrűre vannak kivezetve. A kivezetéseket vagy közvetlenül, vagy ellenálláson keresztül rövidre zárják, ezzel tudják a fordulatszám-nyomaték jelleggörbét konrtollálni.

Kalickás forgórész esetén nincs szükség (sem pedig lehetőség) a forgórész tekercselés kivezetésére, sem pedig ellenállásokra – ez a kalickás forgórészű aszinkron gép. A forgórész tekecselését öntési eljárással hozzák létre, hornyokat létrehozva, amibe beleillesztik. Ezeket a rudakat a tekercsfejekben direkt módon rövidre zárják.

A csúszógyűrűs megoldáshoz képest ez egy egyszerűbb konstrukció, ráadásul kevésbé karbantartásigényes. Általa a forgórész hornyok teljes keresztmetszete kihasználható, és pólusváltós motor esetén nem szükséges minden pólusszámhoz a forgórész tekercselése.

Üzemmódok

Az elektromos motorok egyik legnagyobb előnye a belső égésű motorokhoz képest, hogy többféle üzemmódban is képesek működni. Nincs ez másképp a háromfázisú aszinkronmotor esetén sem.

Motor üzem

A leggyakrabban használt, általános üzemmód. A villamos hajtómű a betáplált villamos energiát forgómozgássá alakítja.

Generátor üzem

A villanymotor a betáplált mechanikai energiát elektromos energiává alakítja. Az aszinkron gép önerőből nem képes sziget üzemű generátorként működni, villamos hálózatban viszont ellátja ezt a feladatot.

Érdemes megfigyelni, hogy generátor üzemben az aktuális fordulatszám mindig nagyobb a bemenő fordulatszámnál, tehát a szlip negatív értéket vesz fel, azaz a forgórész „megelőzi” a mágneses teret. Lényegében ez a tény indítja be a generátor üzemet.

Az elektromos autók ezt az üzemmódon használják a rekuperálás folyamatához.

Ellenáramú féküzem

Általában ez egy tranziens állapot forgásirányváltás közben. Itt ugyanis a tengely ellentétes irányban forog az állórészben kialakuló mágneses mezőhöz képest. A villanymotor mind a bemenő elektromos, mind a mechanikai energiát hővé alakítja, mely a környezetbe távozik.

Személygépkocsik háromfázisú aszinkronmotorral

Természetesen minden gyártó igyekszik megtalálni az extra potenciált a saját villanymotorjaiban, így nem jelenthető ki kategorikusan, hogy mindenki ugyanolyan aszinkron gépet használ, csupán ugyanazon fizikai alapelveket alkalmazzák a konstrukció megalkotásánál.

Ilyen erőforrást találunk a VW-Audi konszern MEB platformjára épülő járművekben, az összes jelenleg kapható Teslában (S, 3, X, Y) és például a Mercedes-Benz EQC-ben is.