4 - Moottori

Sähköauton moottori muodostaa akkuihin verrattuna pienen osan auton massasta, toisin kuin perinteisessä polttoainetta käyttävässä autossa, jossa moottori-vaihteisto-paketti on voimansiirron raskain osa.

Moottoreina voidaan käyttää tasa- (DC) tai vaihtovirtamoottoreita (AC).

Teollisuusmoottorit ja ajoneuvojen moottorit

Teollisuusmoottoreihin verrattuna auton sähkömoottorin pitää olla hyvin tiivis ja suojattu. Autossa moottorin kierrosluku on yleensä myös suurempi kuin teollisuudessa, koska moottorin ei tarvitse kestää niin kauan kuin teollisuudessa (käyttötunnit) ja moottorin pitää olla mahdollisimman pieni ja kevyt.

DC-moottori

Hiiliharjallinen DC-moottori (engl. DC motor) vaatii huoltoa. Käytöstä ja tekniikasta riippuen täytyy hiilet vaihtaa uusiin noin 2000-10000 kilometrin välein. Jos hiilien ja kommutaattorin välissä tapahtuu kipinöintiä (esim. väärien jännite- tai virta-arvojen takia) voi myös kallis kollektori olla lyhytikäinen. DC-moottori vaatii myös käytännössä puhallinjäähdytyksen, jotta hiilistä ja kommutaattorista tuleva pöly saadaan pois moottorin sisältä, missä se aiheuttaisi jäähdytys ja jumitusongelmia. Myöskin tehollinen kierrosluku hyötysuhdealue on kapea, mikä puolestaan edellyttää vaihteiston käyttöä, jotta moottorin akkutehon kulutus saadaan optimoitua.

DC-moottori voi olla kestomagneettityyppiä (engl. permanent magnet) tai kenttäkäämitty (engl. wound field). Kenttäkäämityn alatyyppejä ovat rinnankäämitty (engl. shunt-wound), sarjakäämitty (engl. series-wound) tai edellisten yhdistelmä (engl. compound-wound). Kenttäkäämitys voi olla myös täysin erillinen ankkurikäämityksestä - puhutaan vierasmagnetoidusta DC-moottorista.

Tähän asti on konversioissa käytetty yleensä DC-moottoria (esim. Elcat-sähköautoissa), koska sen säätäminen oli helpompaa jännitettä ja virtaa muuttamalla.

DC-moottoria ohjataan pulssisuhdeohjaimella (PWM), joka on taajuusmuuttajaa yksinkertaisempi.

DC-moottorin kuvaus Wikipediassa tasavirtamoottorit

AC-moottori

AC-moottori ei tarvitse vaihteistoa moottorin suuren vääntömomentin ja laajan tehollisen kierroslukualueen takia, mikä tekee ajettavuuden helpoksi ja vähentää huollon tarvetta. AC-moottori on myöskin helppo toteuttaa nestejäähdytteisenä.

AC-moottoreita on kestomagneettimoottoreita (engl. permanent magnet AC-motor) ja oikosulkumoottoretia (engl. induction motor). Kestomagneettikoneet ovat oikosulkumoottoreita jonkin verran kalliimpia ja niiden kentänheikennysominaisuudet ovat rajoitetummat. Jotta moottorilla nimittäin päästään nimellisnopeutta suurempiin nopeuksiin, on roottorivuota pienennettävä. Kestomagneettikoneilla raja tulee vastaan siinä, kuinka paljon roottorissa sijaitsevat kestomagneetit kestävät vastamagnetointia, jotta ne pystyvät vielä palautumaan. Ohjauksen kannalta oikosulkumoottori ja kestomagneettikone ovat jotakuinkin yhtä helppoja nykyaikaisilla vaihtosuuntaajilla. Jälkimmäisen konetyypin ohjauksessa on kuitenkin tiedettävä roottorin asento, kun taas oikosulkumoottorilla pelkkä pyörimisnopeus riittää vektorisäätöön perustuvalle ohjaukselle.

AC-moottori on hankintahinnaltaan kalliimpi mutta hyötysuhteeltaan DC-moottoria parempi.

AC-moottoria ohjataan verkkosyötöllä taajuusmuuttajalla ja akkusyötöllä invertterillä, joka ottaa DC-jännitettä sisäänsä ja antaa vaihtelevaa 3-vaihejännitettä ulos.

AC-moottori ja sen säätö ovat kehittyneet nopeasti. AC-moottorin teho-paino-suhde on parempi eikä sen kanssa tarvita erillistä vaihteistoa. Käytännössä AC-moottori on syrjäyttänyt DC-moottorin ajoneuvokäytössä uusissa projekteissa.

Termistö AC-moottoreissa on sekava, mutta hyviä kuvauksia eri termeille löytyy Wikipediasta vaihtosähkömoottorit

Napamoottori

On myös mahdollisuus käyttää ns. napamoottoria (engl. wheel hub motor, wheel motor, hub motor tai in-wheel motor). Se on yleensä AC-tyyppiä. Se sijoitetaan suoraan pyörän sisään, ja toimii tarvittaessa myös jarruna magneettisesti. Mekaaniselle tasauspyörästölle ei ole tarvetta, sillä se voidaan hoitaa sähköisesti. Tällä ratkaisulla akuille tai muille komponenteille jää enemmän tilaa, ja energiahäviöitä erillisestä voimansiirrosta ei synny. Ratkaisu antaa paljon uusia mahdollisuuksia auton voimansiirron ominaisuuksien vaikuttamiseen. Napamoottorin ongelmana on jousittamattoman massan kasvaminen pyörässä.

Moottorin ominaisuudet

Moottorin mitoituksen perusteena on jatkuvan käytön nimellismomentti TN eli tyyppimomentti. Hetkellisesti moottori kuitenkin kestää huomattavasti suurempaa kuormitusta. Rajoittavina tekijöinä ovat moottorin maksimimomentti Tb ja koneen terminen kestävyys. Tyypillisesti oikosulkukoneelle pätee Tb / TN = 2…3, riippuen koneen koosta ja rakenteesta.

Nimellistaajuus fN tarkoittaa syöttötaajuutta nimellispisteessä. Nimelliskulmanopeus wN (omegaN) on se roottorin mekaaninen kulmanopeus, joka moottorilla on nimellispisteessä nimelliskuormalla. Mekaaninen nimellisnopeus voidaan ilmoittaa rpm arvona.

Nimellisteho PN saadaan nimelliskulmataajuuden ja nimellismomentin tulona PN = wN* TN. Se on tärkeä syöttölaitteiden osalta, mutta toissijaisesti mielenkiintoinen suure mitoituksessa.

Nimellisjännite UN on staattorijännitteen tehollisarvon maksimi, jota ei saa ylittää. Nimellispisteessä syöttötaajuus ja jännite ovat nimellisiä.

Nimellisvirta IN on staattorin vaihevirran tehollisarvo taajuudella fN ja kuormalla TN. Nimellisteho saadaan myös PN = 3*UN*IN*cos(phiN), missä cos(phiN) on moottorin tehokerroin nimelliskuormalla.

Edellä mainitut arvot on yleensä merkitty moottorin tyyppikilpeen ja taajuusmuuttajiin syötetään nämä tiedot moottorimallin laskentaa varten. Suunnittelua varten olisi moottorista hyvä olla valmistajan tyyppitesteihin perustuvat käyrät, joissa esitetään vääntömomentin käyttäytyminen maksimikulmanopeuteen saakka. Tämä on sähköautoissa erityisen tärkeää, koska optimaalinen moottorin mitoitus tapahtuu käyttämällä moottoria nimellisnopeutta suuremmilla nopeuksilla.

Hyötysuhde

Oikosulkumoottorin hyötysuhde on jonkin verran pienempi kuin kestomagneettitahtikoneen. Se johtuu roottorikäämityksissä (häkkikäämissä) syntyvistä resistiivisistä häviöistä ja siitä, että kestomagneettikone ei tarvitse magnetointivirtaa. On huomattavaa, että parhaat hyötysuhteet kaikilla sähkömoottoreilla saavutetaan, kun kuormitus on lähellä nimellistä. Osakuormilla hyötysuhde jää varsinkin pienillä moottoreilla huomattavasti alle 90 %.

Kuormitettavuus

Moottori kestää nimelliskuormaa suurempaa kuormitusta hetkellisesti ja sitä voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi liikkeellelähdössä ja muissa kiihdytyksissä. Suurin mahdollinen momentti on mahdollista saada kierrosnopeuksilla, jotka ovat pienempiä kuin nimellisnopeus. Tätä suuremmilla nopeuksilla maksimimomentti (ja sitä kautta kiihtyvyys) pienenee kääntäen verrannollisena nopeuden neliöön. Tämä täytyy ottaa huomioon kun arvioidaan esimerkiksi sähköauton kiihdytyskykyä lähellä auton maksiminopeutta.

Moottorin jäähdytys

Tavallisin tapa jäähdyttää teollisuuskäyttöön tarkoitettu moottori on moottorin akselilla oleva puhallin, jolloin puhutaan itsejäähdytteisestä moottorista. Tällaisen moottorin kuormituksen kesto on pienillä nopeuksilla heikompi alentuneen lämmönsiirron takia. Sähköautoissa houkutteleva vaihtoehto olisikin käyttää nestejäähdytettyä moottoria. Paremman jäähdytyksen ansiosta moottoria voi kuormittaa enemmän, tai vastaavasti koneen kokoa voi pienentää, jos kuormitus pysyy samana. Sähköauton kannalta moottori pyritään saamaan mahdollisimman kevyeksi, koska näin saadaan lisäkilometrejä. Tavallisin jäähdytysliuos vesijäähdytteisissä järjestelmissä on vesi-glykoli-seos. Myös tehoelektroniikka voi hyödyntää nestejäähdytystä. Vesijäähdytettyjen moottoreiden haittana on luonnollisesti ilmajäähdytteisiä kalliimpi hinta.

Sähkömoottori suhteessa polttomoottoriin

  • Sähkömoottori on kevyempi
  • Sähkömoottori antaa vääntömomenttia pienillä kierroksilla ja vaikka ei pyörisikään, polttomoottorin täytyy pyöriä kohtuullisella kierrosluvulla antaakseen vääntömomenttia
  • Sähkömoottorista voi ottaa hetkellisesti isonkin piikkiteho (esim. 20 s kiihdytys)

Katso myös

Ohjain

Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License