Κινητήρες για ηλεκτροκίνητα
ηλεκτροκίνηση

Κινητήρες για ηλεκτροκίνητα

Έχουµε µπει σε µία εποχή µεγάλων αλλαγών σε ό,τι σχετίζεται µε το αυτοκίνητο. Ακόµη δεν έχει διευκρινιστεί ποιοι ακριβώς κινητήρες θα επικρατήσουν, παρά την ταχεία ανάπτυξη της ηλεκτροκίνησης. Επί του παρόντος, τα ηλεκτρικά µοτέρ που χρησιµοποιούν οι κατασκευαστές είναι αρκετά!

Η ιδέα για τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα δεν είναι σημερινή. Στις αρχές του προηγούμενου αιώνα τα οχήματα του είδους ήταν αριθμητικά περισσότερα από εκείνα με θερμικό κινητήρα. Η βενζίνη, όμως, κυριάρχησε, μέχρι τις ημέρες μας, που η ηλεκτροκίνηση προκρίνεται, για λόγους προστασίας του περιβάλλοντος. Για τους περισσότερους, η διαφορά των σύγχρονων ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων σε σχέση με τα παλαιά βρίσκεται στην τεχνολογία των μπαταριών. Είναι, όμως και οι ηλεκτροκινητήρες που έχουν εξελιχθεί, χάρη στα νέα ηλεκτρονικά ισχύος.

Συναντάμε διάφορους τύπους ηλεκτροκινητήρων. Οι κατασκευαστές δεν έχουν ακόμη καταλήξει ποιος είναι ο πλέον κατάλληλος. Έτσι, θα συναντήσουμε κινητήρες που λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα, με συνεχές, με ή χωρίς ψήκτρες, σύγχρονους και ασύγχρονους, με διέγερση σε σειρά ή παράλληλα κλπ.

  • Κινητήρας DC (Brushed): Ο κινητήρας συνεχούς ρεύµατος – DC µε ψήκτρες είναι απλός και χρησιµοποιείται στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα από το 1900. Στα συµβατικά αυτοκίνητα µε θερµικούς κινητήρες, η µίζα ήταν ένας τέτοιος κινητήρας.

Το συνεχές ρεύμα από την μπαταρία περνά στις περιελίξεις του ρότορα μέσα από τις  «ψήκτρες» άνθρακα ή μολύβδου με ελατήριο, που μεταδίδουν το ρεύμα στις περιστρεφόμενες επαφές, οι οποίες συνδέονται με τις περιελίξεις. Κάθε λίγες μοίρες περιστροφής του άξονα, οι ψήκτρες επικοινωνούν με ένα νέο σύνολο επαφών. Αυτό αντιστρέφει, συνεχώς, την πολικότητα του ηλεκτρομαγνήτη στον ρότορα, καθώς περιστρέφεται ο άξονας του κινητήρα. Ο συγκεκριμένος δακτύλιος επαφών είναι γνωστός ως συλλέκτης.

Το κέλυφος που περιβάλλει τις ηλεκτρομαγνητικές περιελίξεις του ρότορα, ο στάτης, συνήθως, διαθέτει μόνιμους μαγνήτες. Στον στάτη ενδέχεται να υπάρχουν και ηλεκτρομαγνήτες, οπότε, ανάλογα με τη συνδεσμολογία των τυλιγμάτων της διέγερσης, μπορεί να είναι:

  1. Παράλληλης διέγερσης
  2. Εν σειρά διέγερσης
  3. Ξένης διέγερσης
  4. Σύνθετης διέγερσης.

Από τους παραπάνω τύπους, ο τύπος με διέγερση σε σειρά δείχνει να είναι ο πλέον κατάλληλος για την αυτοκίνηση. Ο τύπος αυτός παρέχει μεγάλη ροπή στις χαμηλές στροφές, που εξασφαλίζει καλή επιτάχυνση κατά την εκκίνηση και ελαστικότητα σε όλο το εύρος των στροφών.

Στους ηλεκτροκινητήρες συνεχούς ρεύματος, τα πλεονεκτήματα αφορούν το χαμηλό αρχικό κόστος κατασκευής, την υψηλή αξιοπιστία και την ευκολία ελέγχου του κινητήρα. Η μεταβολή της τάσης ρυθμίζει την ταχύτητα του κινητήρα, ενώ η μεταβολή του ρεύματος ελέγχει τη ροπή του.

Τα μειονεκτήματά τους περιλαμβάνουν τη χαμηλότερη διάρκεια ζωής και το κόστος συντήρησης, καθώς χρειάζονται, συχνά, αντικατάσταση στις ψήκτρες και έχουν φθορές στον συλλέκτη. Αυτός ο κινητήρας χρησιμοποιείται σπάνια σήμερα.

  • Κινητήρας Brushless DC (BLDC): Ο κινητήρας συνεχούς ρεύµατος χωρίς ψήκτρες ή BLDC (Brushless DC Motor BLDC) εξαλείφει το µειονέκτηµα της συντήρησής τους, µετακινώντας τους µόνιµους µαγνήτες στον ρότορα και τοποθετώντας τους ηλεκτροµαγνήτες στον στάτη, δηλαδή στο κέλυφος.

Το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργείται χρησιμοποιώντας έναν εξωτερικό ελεγκτή για εναλλαγή των διαφόρων περιελίξεων από «συν» σε «πλην».

Τα πλεονεκτήματα είναι η μεγάλη διάρκεια ζωής, η χαμηλή συντήρηση και η υψηλή απόδοση. Στα μειονεκτήματα περιλαμβάνονται το υψηλότερο αρχικό κόστος και οι πιο περίπλοκοι ελεγκτές ταχύτητας, που απαιτούν, συνήθως, τρεις αισθητήρες φαινομένου Χωλ (Hall), για να ρυθμιστεί σωστά το ρεύμα στην περιέλιξη του στάτη. Αυτή η εναλλαγή των περιελίξεων του στάτη μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα περιοδικές αυξήσεις και μειώσεις της παρεχόμενης ροπής.

Αυτός ο τύπος κινητήρα είναι ιδιαίτερα δημοφιλής για μικρότερα οχήματα, όπως τα ηλεκτρικά ποδήλατα και σκούτερ και χρησιμοποιείται σε ορισμένες βοηθητικές εφαρμογές στο αυτοκίνητο, όπως η ηλεκτρική υποβοήθηση του τιμονιού.

  • Κινητήρας Μόνιµου µαγνήτη – PMSM: Ο σύγχρονος κινητήρας µόνιµου µαγνήτη – PMSM (Permanent-Magnet Synchronous Motor) µοιάζει µε τον κινητήρα BLDC. Και οι δύο διαθέτουν µόνιµους µαγνήτες στον ρότορα και περιελίξεις στον στάτη.

Η βασική διαφορά είναι ότι, αντί να χρησιμοποιείται συνεχές ρεύμα και να ενεργοποιούνται και να απενεργοποιούνται περιοδικά οι περιελίξεις για να περιστρέφονται οι μόνιμοι μαγνήτες, ο σύγχρονος κινητήρας PMSM λειτουργεί με συνεχές ημιτονοειδές εναλλασσόμενο ρεύμα. Αυτό σημαίνει ότι δεν υφίσταται διακύμανση ροπής και χρειάζεται μόνο έναν αισθητήρα φαινομένου Χωλ για τον προσδιορισμό της ταχύτητας και της θέσης του ρότορα. Έτσι, είναι πιο αποτελεσματικός και πιο αθόρυβος.

Η λέξη «σύγχρονος» υποδηλώνει ότι ο ρότορας περιστρέφεται με την ίδια ταχύτητα με το μαγνητικό πεδίο από τις περιελίξεις. Τα πλεονεκτήματά του είναι η απόδοση ισχύος και η ισχυρή ροπή εκκίνησης. Ένα βασικό μειονέκτημα οποιουδήποτε κινητήρα με περιστρεφόμενους μόνιμους μαγνήτες είναι ότι δημιουργεί υψηλές θερμοκρασίες και έχει αυξημένες απαιτήσεις ψύξης. Αυτός ο τύπος κινητήρα χρησιμοποιείται σε συστήματα υδραυλικού τιμονιού και πέδησης, αποτελώντας μία δημοφιλή επιλογή στα περισσότερα από τα σημερινά ηλεκτρικά και υβριδικά οχήματα με μπαταρία.

  • Κινητήρας Ασύγχρονος (επαγωγικός) AC: Στον επαγωγικό ή ασύγχρονο κινητήρα  εναλλασσόµενου ρεύµατος δεν υπάρχουν µόνιµοι µαγνήτες στον ρότορα και µέσα από τις περιελίξεις περνά εναλλασσόµενο ρεύµα.

Καθώς το εναλλασσόμενο ρεύμα περνά μέσω των περιελίξεων του στάτη, οι περιελίξεις δημιουργούν ένα περιστρεφόμενο πεδίο μαγνητικής ροής. Αυτό δημιουργεί μία μαγνητική δύναμη, που αναγκάζει τον ρότορα να περιστραφεί. Επειδή αυτή η δύναμη προκαλείται μόνο όταν οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου είναι κάθετες προς τις περιελίξεις του ρότορα, αυτός δεν θα έχει ροπή ή δύναμη, εάν περιστρέφεται με την ίδια (σύγχρονη) ταχύτητα με το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο.

Αυτό σημαίνει ότι οι επαγωγικοί κινητήρες AC είναι εγγενώς ασύγχρονοι. Η ταχύτητα του ρότορα ελέγχεται μεταβάλλοντας τη συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος. Σε ελαφρά φορτία, ο μετατροπέας που ελέγχει τον κινητήρα μπορεί να μειώσει την τάση για να μειώσει τις μαγνητικές απώλειες και να βελτιώσει την απόδοση. Η απενεργοποίηση ενός επαγωγικού κινητήρα κατά τη διάρκεια ενός ταξιδιού, όταν δεν χρειάζεται, εξαλείφει τη δύναμη πέδησης που δημιουργείται από έναν κινητήρα μόνιμου μαγνήτη.

Οι επαγωγικοί κινητήρες AC, συχνά, επιτυγχάνουν υψηλότερη μέση απόδοση σε σχέση με τους κινητήρες BLDC ή PMSM. Οι ασύγχρονοι τριφασικοί κινητήρες κοστίζουν φτηνά και είναι απλής κατασκευής. Απαιτούν ελάχιστη συντήρηση και έχουν μικρό βάρος και όγκο. Το GM EV1, που κυκλοφόρησε στα μέσα της δεκαετίας του 1990, και τα περισσότερα μοντέλα της Tesla χρησιμοποιούν επαγωγικούς κινητήρες AC.

  • Κινητήρας Σύγχρονος τριφασικός AC: Στον στάτη του σύγχρονου τριφασικού κινητήρα υπάρχουν τρία τυλίγµατα, διαταγµένα µε γωνία 120 µοιρών. Χρειάζονται τροφοδοσία από τριφασικό ρεύµα µε διαφορά φάσης 120 µοιρών.

Ο δρομέας του φέρει περιέλιξη, που τροφοδοτείται από συνεχές ρεύμα μέσα από δύο δακτυλίδια και ψήκτρες. Το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο αναγκάζει τον ρότορα να περιστραφεί με την ίδια ταχύτητα. Όταν αυξάνει το φορτίο, ο δρομέας του καθυστερεί μία γωνία φορτίου. Αυτό ο τύπος χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία σε ελαφρά αυτοκίνητα, όπως το Renault Clio και το Fiat Cinquecento.

Προκειμένου να αποφύγουμε τη διέλευση του συνεχούς ρεύματος διέγερσης από τις ψήκτρες και τα στρεφόμενα δακτυλίδια, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ηλεκτρομαγνητική τροφοδοσία. Οι κινητήρες αυτοί ονομάζονται σύγχρονοι χωρίς ψήκτρες (Brushless) και απαιτούν ακριβά ηλεκτρονικά ισχύος, αλλά έχουν μειωμένες ανάγκες συντήρησης.

Τα σύγχρονα ηλεκτροκίνητα σε γενικές γραμμές παρουσιάζουν τη μεγαλύτερη απόδοση από όλους τους ηλεκτροκινητήρες, λειτουργώντας πάντα κοντά στη μέγιστη ροπή και ισχύ. Μπορούν, δε, να αποδώσουν τη μέγιστη ροπή τους από πολύ χαμηλές στροφές. Από την άλλη, έχουν υψηλό κόστος κατασκευής και αυξημένες απαιτήσεις συντήρησης, ενώ απαιτούν καλής ποιότητας ηλεκτρονικά ισχύος για τη ρύθμιση των στροφών τους.

Του Νικου ΒασιλακΗ   

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ
Εγγραφείτε στο newsletter

Για να λαμβάνετε τα τελευταία νέα, ενημερώσεις και ειδικές προσφορές απευθείας στο email σας.