​Специализированные моторные материалы и конструкции

-
10:39
35
​Специализированные моторные материалы и конструкции

Когда спрос стимулирует инновации, современное состояние может развиваться достаточно быстро, но если спроса еще нет, то конечным результатом часто становится пресловутое "решение в поисках проблемы". Одним из наиболее ярких примеров этого является литий-ионная батарея, которая была разработана в 1970-х годах, но на самом деле не достигла коммерческого успеха до середины 90-х годов, когда ноутбуки и мобильные телефоны стали требовать более качественные батареи (сейчас EVs добавляют к этому спросу, конечно же). Та же динамика характерна и для двух наиболее часто используемых в электромобилях двигателей: типа полифазной индукции (ACIM) и синхронного с постоянным магнитом (PMSM). До появления EV, практически каждый ACIM использовался в качестве основного двигателя в промышленности (то есть на других машинах), в то время как тип PMSM был доступен только в относительно небольших мощностях для использования в качестве серводвигателей (то есть для точного и воспроизводимого позиционирования таких вещей, как таблицы фрезерных станков, сварочных роботов и т.д.). Было предложено сделать PMSM как можно более легким и компактным - он часто должен был двигаться вместе с тем, чем бы он ни управлял - но никому из промышленных заказчиков не было дела до того, что 7,5-киловаттный (10 л.с.) ACIM имел чугунную раму и весил 80 кг (176 фунтов!). На самом деле, массивный вес обычно считался плюсом. Точно так же, эффективность была больше заботой для малых PMSM, только потому, что это позволяло получать больше мощности от двигателя определенного размера и/или веса, и только в 1992 году (закон EPA) первые стандарты эффективности для двигателей были приняты в США (начиная с довольно унылого 74% для 1 л.с./0.75 кВт 2-полюсного двигателя)!

Электрифицированные автомобили, однако, требуют двигателей с высоким КПД в более компактном форм-факторе и, конечно же, гораздо меньшего веса, чем практически в любой другой области применения (кроме авиации/аэрокосмоса), а огромное количество автомобилей, продаваемых сейчас ежегодно 16-17 миллионов в США, является огромным стимулом для автопроизводителей к удовлетворению этих потребностей. Следовательно, за последние 10 лет произошел настоящий взрыв новых материалов и технологий изготовления двигателей, который не может не омрачать прогресс, достигнутый за первые 100 лет существования двигателя. Поскольку современное состояние так быстро развивается, эта серия из двух частей будет посвящена объяснению того, почему специализированные материалы (часть 1) и различные строительные технологии (часть 2) обеспечивают улучшения, а не тому, что замышляют конкретные OEM-производители.

Электрические стали

Каждый двигатель использует изменяющееся во времени магнитное поле для создания вращающего усилия (т.е. крутящего момента) на валу, и большинство из них полагаются на электрическую сталь для направления этого магнитного потока в нужное место. Электрические стали представляют собой низкоуглеродистые сплавы железа и кремния с гораздо более высоким удельным сопротивлением, чем у чистого железа (примерно в 20 раз больше), что позволяет снизить потери вихревого тока. За это платят увеличение хрупкости и снижение допустимой плотности потока до насыщения в 1,5 Т для типичной кремниевой стали против ~2,2 Т для чистого железа. Несмотря на высокое объемное удельное сопротивление кремниевой стали, трансформаторы и двигатели неизменно требуют дополнительных мер для удержания потерь в сердечниках (т.е. вихревого и гистерезиса) под контролем. Потери от вихревых токов пропорциональны площади магнитных петель и обратно пропорциональны сопротивлению (поэтому более высокое удельное сопротивление хорошо), поэтому сердечник трансформатора и обмотка двигателя разбиваются на стопку пластин, которые изолированы друг от друга. Это минимизирует площадь петли (разбивая одну большую петлю на множество более мелких), но за счет потери части объема активного магнитного материала для изоляции.

Аморфный металл

Гистерезисные потери возникают из-за сопротивления материала изменению ориентации его магнитных участков - что-то вроде магнитного трения. Единственный хороший способ минимизировать потери гистерезиса в данном материале - это уменьшить размер кристаллов, входящих в его состав (т.е. размер его зерен). Один из методов обработки, который делает это, заключается в том, чтобы охладить расплавленный металл настолько быстро, что он не образует кристаллов в первую очередь, делая его аморфным или стекловидным. Эти металлические стекла, которые имеют различные торговые названия, такие как Metglas, FineMet (Hitachi) и т.д., имеют чрезвычайно низкие потери гистерезиса, но из-за трудностей, связанных с их изготовлением, они поставляются только в виде непрерывно литых, относительно тонких лент ( обычно 50 мкм). Превращение их в арматуру двигателя пока что оказалось неэкономичным, но когда происходит прорыв, результаты должны быть впечатляющими (следите за Hitachi).

Провода и изоляция

Другим важным компонентом в двигателе является проволока, и реальный прогресс здесь достигается не с фактическим материалом проводника - на самом деле основным материалом для изготовления остается медь.

Традиционный медный магнитный провод - наиболее распространенный тип, используемый в тяговых электродвигателях EV, и существует целая связка их параллельно (так же известная как "в руках") для работы с высокими токами - вплоть до 1000 A во время разгона. Несмотря на то, что провода находятся параллельно, они все еще имеют индивидуальную изоляцию для снижения потерь от "кожного эффекта", что является тенденцией для переменного тока все чаще избегать центра проводника по мере увеличения частоты. Например, для того, чтобы двигатель мог работать с непрерывным током около 400 А, потребуется провод с общей площадью поперечного сечения около 100 кв. мм, что примерно равно 4/0 калибру, и один провод такого размера начнет воспринимать повышенное сопротивление переменного тока от "кожного эффекта" всего с частотой 120 Гц. Изоляция занимает ценное пространство в двигателе, поэтому есть значительная мотивация сделать его как можно тоньше, но это приводит к другой проблеме (конечно), которая заключается в том, что быстрое переключение напряжения инвертором, которое должно быть как можно быстрее, чтобы минимизировать коммутационные потери, приводит к пробоям изоляции и вызывает протекание емкостно-связанных токов через подшипники (подробнее об этом ниже). Это привело к разработке так называемого "инверторного" провода для двигателей, который изначально представлял собой лишь более тяжелое применение (или сборку) изоляционного покрытия.

В настоящее время исследования, в частности, для гораздо более требовательных EV, сосредоточены на современных изоляционных материалах, а не просто на толстом слое краски, так сказать. Двумя ключевыми критериями для оценки того, является ли новая изоляция обмотки двигателя лучше, являются ее диэлектрическая прочность - или напряжение на единицу толщины, которое может выдержать изоляция, - и коэффициент диэлектрических потерь - или количество нагревания, вызванного прохождением через нее переменного тока. Улучшение одного или обоих свойств не должно сказываться на максимально допустимой рабочей температуре или гибкости покрытия (его эластичности). С этой целью, вероятно, будут все более широко применяться фторполимерные покрытия, такие как PVDF (поливинилиденфторид) и FEP (фторированный этилен-пропиленовый сополимер); фактически, эти изоляционные материалы уже используются в современных конструкциях трансформаторов и индукторов.

Подшипники

Больше внимания в механической части уделяется достижениям в технологии шарикоподшипников. Подобно тому, как производители двигателей узнали о том, что обычная изоляция магнитного провода пресловуто быстро выходит из строя при поставке инвертора, подшипники валов также начали резко демонстрировать отказы, и с той же самой первопричиной (то есть, крутые формы волн напряжения, генерируемые инвертером). Всякий раз, когда два проводника разделены изоляцией, образуется конденсатор, а уравнение конденсатора, I = C * (dV/dt), говорит, что протекание тока через изоляцию пропорционально емкости, C, и скорости изменения напряжения, dV/dt.

Емкостное сопротивление в двигателе находится между обмотками статора и ротором, поэтому емкостно-связанные токи будут протекать по изоляции проводов, вызывая диэлектрический нагрев, и выходить через подшипники двигателя, вызывая дуговое повреждение, которое приводит к точечной коррозии шариков подшипника и, в конечном счете, к полному разрушению. Шарики подшипника должны быть очень гладкими для низкого трения, очень прочными, чтобы выдерживать удары и столкновения, и очень прочными, чтобы выдерживать достаточно долгое время нагрузки, поэтому они чаще всего изготавливаются из закаленной и полированной стали. Если бы шарики подшипника находились в постоянном контакте с металлом корпуса, то не было бы большой проблемы от емкостно-связанных токов, но на самом деле они ездят на тонком слое смазочного масла или консистентной смазки, что минимизирует контакт металла с металлом и прерывает путь между ротором и статором. Это приводит к накоплению заряда на роторе до тех пор, пока не будет достаточно пробить масляную пленку (или шарик подшипника внезапно окажется в контакте "металл-на-металле"); в любом случае происходит дуговой разряд, что в точности аналогично процессу обработки, называемому электроэрозионной обработкой, поэтому этот механизм разрушения часто называют "повреждением EDM". Изготовление шариков подшипника из непроводящего материала и шлифовка ротора через противоскользящее кольцо угольной щетки - это обычное решение, но не забывайте о критериях для шариков подшипника, изложенных выше: они должны быть гладкими, прочными и твердыми. Стекло, например, можно сделать и гладким, и достаточно твердым, чтобы использовать в качестве шариков для подшипников, но оно не является достаточно прочным. Большинство керамики зернистые, поэтому они не могут быть сделаны гладкими, как сталь, и хотя они исключительно твердые, они также не очень прочные. Передовые керамические материалы, такие как нитриды кремния и алюминия, однако, кажутся очень многообещающими, так как они попадают в тройку механических требований, в то же время являясь электрическими изоляторами.

Магниты

Для тех двигателей, которые используют постоянные магниты, много усилий было затрачено на улучшение максимального энергетического продукта (в основном, напряженность магнитного поля) без ущерба для механической прочности, восприимчивости к размагничиванию и коррозии, а также максимальной рабочей температуры. Всего несколько лет назад этот предел составлял всего 180° C (356° F), но продолжающиеся исследования и разработки расширили его до 230° C (446° F), хотя и при резком увеличении стоимости материалов и аналогичном уменьшении максимального энергетического продукта. Поскольку верхний предел 180° C едва ли достаточен для типичного двигателя (так как он соответствует наиболее часто используемой температурной характеристике изоляции проводов), дальнейшее развитие, вероятно, будет сосредоточено на улучшении энергетического продукта и/или коррозионной стойкости, причем последняя является еще одной реальной проблемой с NdFeB-формулировкой. Действительно интересные вещи, которые делаются с магнитами, в большей степени связаны с тем, как они вдавливаются в двигатели за пределами основного крепления на поверхности ротора, но это - наряду с другими передовыми технологиями строительства - придется подождать до второй части.

Продолжение следует... 

Перевод
География:
  • Без привязки
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...