Az elektromotorok bemutatása III.

A cikksorozat első részében elkezdtük tárgyalni az elektromotorok történetét, illetve felsoroltunk főbb típusait és bemutattuk a legfontosabb alkotóelemeket. A második részben már kifejezetten a gépkocsikban előforduló erőforrásokkal foglalkoztunk, azon belül a háromfázisú aszinkronmotorral.

Ahogy azt már tárgyaltuk, nincs egyértelmű konszenzus a gyártók között abban, hogy melyik a legmegfelelőbb elektromos motortípus. Ebben a cikkben a háromfázisú aszinkron változat legnagyobb kihívóját, a szinkronmotort mutatjuk be.

Általános leírás

A cél természetesen nagyon hasonló, mint az aszinkron változat esetén: a szinkronmotor is egy villamosgép alaptípus, amely a felvett villamos energiát mechanikai energiává alakítja (ez a motorüzem), generátor üzemben pedig a felvett mechanikai energiát alakítja villamos energiává. Forgórészét egyenárammal táplált tekercseléssel, vagy állandómágnesekkel gerjesztik, állórészén pedig többfázisú váltakozó áramú tekercselés található. Eredetileg az energetikában terjedt el erőművi generátorként, de az utóbbi időszakban népszerűvé vált a szervo- és járműhajtások területén is.

Jellemzően aszerint nevezik szinkronmotornak vagy szinkrongenerátornak, hogy elsődlegesen melyik üzemmódban használják a gépet az adott alkalmazásban.

A forgórészek mágneses mezőjét elektromágnesekkel vagy állandómágnesekkel hozzuk létre. Ez alapján beszélhetünk egyenárammal gerjesztett vagy állandómágneses szinkronmotorról. Előbbinél a forgórészen tekercseket találunk, melyeken egyenáram folyik. A gerjesztőáramot a gép forgórészébe egy csúszógyűrűs-kefés szerkezettel vezetik. A kefék csereintervallummal rendelkező kopóalkatrészek, ezért időszakonként a gép karbantartást igényel.

Az állandómágneses megoldás esetén a mágnesek jellemőzen alumínium, nikkel és kobalt ötvözetéből (AlNiCo), vagy neodímiumból (NdFeB) készülnek. Az állandómágnes miatt a forgórészbe nem szükséges áramot vezetni, és gerjesztőgép sem indokolt alternatívaként. Hátrány azonban, hogy emiatt a forgórész gerjesztése nem módosítható. Ezt a típust általánosságban véve ott alkalmazzák, ahol nem vagy nehezen megoldható a motor karbantartása, vagy egyszerűen el akarják kerülni azt. Kompakt mérete miatt sok helyre beépíthető.

A mágneses mező alakja

A mágneses indukció kerület menti eloszlásfüggvényének alakja szerint a szinkronmotor lehet négyszögmezős vagy szinuszmezős.

A négyszögmezős gépek indukció-eloszlása a négyszögfüggvény szerint változik, pozitív félperiódusa egy északi, negatív félperiódusa egy déli pólust jelöl. Mivel összefüggés áll fenn az indukció-eloszlás és az indukált feszültség időfüggvénye között, villamos energiatermelés céljából nem készítenek négyszögmezős szinkrongépet.

Ha az indukció eloszlása szinuszos, akkor a gép állórészének tekercseiben is szinuszos lesz az indukált feszültség időfüggvénye. Ennélfogva az előállított feszültség ugyanúgy szinuszos lesz, ami tökéletesen megfelel az erőművi generátorok kimeneti profiljának. Az ilyen típusú szinkronmotorokat a lüktetésmentes nyomaték érdekében szinuszos váltakozó árammal kell táplálni.

Működési elv

A leginkább szembetűnő különbségest a szinkron és az aszinkron motorok között a kettő működési feltételében találjuk.

Amíg az aszinkron gépek nyomatékátvitelének alapfeltétele, hogy az állórész mező és a forgórész nem foroghat azonos fordulatszámon, a szinkron változat esetén csak az együttes és azonos fordulatszámú forgás jöhet szóba. Szinkrongépek esetén az állórész többfázisú, szimmetrikus, konstans táplálásával forgó állórész mező keletkezik – ennek a fordulatszámát nevezzük szinkron fordulatszámnak. Ha a gép forgórészét egyenárammal tápláljuk, a forgórészhez viszonyított nyugvó forgórész mező alakul ki. Ez a fordulatszám a nyugvó állórészhez viszonyítva megegyezik a szinkrongép forgórészének fordulatszámával.

Maga az együtt forgás csak akkor jön létre, ha a gép forgórésze a szinkron fordulatszámmal forog. Általánosságban elmondható tehát, hogy a szinkrongép csak egy adott fordulatszámon, mégpedig a szinkron fordulatszámon üzemképes.

Az együtt forgás azonban nem elegendő. Az állórész által generált mágneses mező és a forgórész között egy fázisszög található, ami annyit tesz, hogy a forgórész egy bizonyos fáziskéséssel forog a mezőhöz képest. A fázisszög nagysága arányos a gép leadott nyomatékával. Ha ez a fázisszög nulla, azaz a forgó mágneses mező és a forgórész között nincs semmilyen különbség, akkor a gép által leadott nyomaték is nulla lesz. A negatív előjelű fázisszög generátoros üzemet jelent, azaz ilyenkor a gép nyomatékot vesz fel a tengelyén, és áramot szolgáltat.

Szinkronmotor járművekben

Az állandómágneses szinkronmotorok elterjedését az autóiparban elsősorban a jobb hatásfok iránti igény és a ritkaföldfémekből előállított rendkívül erős mágnesek terjedése tette lehetővé.

Az ilyen motorok rendkívüli előnye, hogy a pólusszám növelésével egyáltalán nem romlik a teljesítménytényező, egyúttal a motor hatásfoka sem (ami nem mellesleg 94% feletti) – az aszinkronmotorokról ez nem mondható el. A motor tömege kisebb, alacsony fordulatszámon is nagy nyomatékot szolgáltat, miközben a hatásfoka továbbra is kiváló. A pólusszám növeléssel még azt is elérhetjük, hogy a mágnesek kisebbek és könnyebbek legyenek, és ha nem akarunk nagyobb nyomatékot, akkor a vastestek is vékonyabbak lehetnek.

Általában persze akarunk: a gyakorlatban a pólusszám növelése alacsonyabb fordulatszámot és nagyobb nyomatékot hoz magával, ami rengeteg ipari alkalmazásban lehetővé tette a mechanikus áttételek elhagyását. A járművek szempontjából azonban ez egyúttal hátrány is: a motornak áttételek nélkül, vagy egyetlen fix áttétellel is nagyon széles fordulatszám-tartományban használhatónak kell lennie a motornak az autónkban.

Ennek megoldására vagy kapcsolható mechanikus áttételeket kap a szinkronmotor, vagy az ún. mezőgyengítést alkalmazzák. Ez utóbbit úgy oldják meg, hogy a mágnesek gerjesztésének egy ellenirányú áramösszetevővel ellene dolgoznak.

Ma már valószínűleg darabszámban vezeti is a piacot a járműipari szinkronmotor, azon belül is az állandómágnese. Olyan járművekben találjuk meg, mint a Volkswagen E-up!, a BMW i3, a Porsche Taycan vagy a Nissan Leaf.

A ritkaföldfémek alkalmazása azonban nem jósol hosszútávú sikereket a típus számára, és a gyártók azon dolgoznak, hogy minél előbb kiválthassák a megoldást az ásványkincs-függősége miatt.