Você está perguntando sobre as compensações técnicas que envolvem a seleção de um motor de tração para uma aplicação em veículo elétrico. A descrição do espaço comercial completo do design está muito além do que pode ser resumido aqui, mas descreverei as vantagens e desvantagens do design para esse aplicativo.
Como a quantidade de energia que pode ser armazenada quimicamente (por exemplo, em uma bateria) é bastante limitada, quase todos os veículos elétricos são projetados com eficiência em mente. A maioria dos motores de tração de aplicações de trânsito para aplicações automotivas varia entre 60kW e 300kW de potência de pico. A lei de Ohms indica que as perdas de energia nos cabos, nos enrolamentos do motor e nas interconexões da bateria são P = I 2 R. Assim, reduzir a corrente pela metade reduz as perdas resistivas em 4x. Como resultado, a maioria das aplicações automotivas opera com uma tensão nominal no link CC entre 288 e 360V nom (existem outras razões para essa seleção de tensão também, mas vamos nos concentrar nas perdas). A tensão de alimentação é relevante nesta discussão, pois certos motores, como o Brush DC, têm limites superiores práticos na tensão de alimentação devido ao arco do comutador.
Ignorando tecnologias de motores mais exóticas, como a relutância comutada / variável, existem três categorias principais de motores elétricos usados em aplicações automotivas:
Motor CC da escova : comutado mecanicamente, apenas um simples 'triturador' de CC é necessário para controlar o torque. Enquanto os motores Brush DC podem ter ímãs permanentes, o tamanho dos ímãs para aplicações de tração os torna proibitivos de custos. Como resultado, a maioria dos motores de tração CC são enrolados em série ou em derivação. Nessa configuração, há enrolamentos no estator e no rotor.
Motor CC sem escova (BLDC): comutado eletronicamente pelo inversor, ímãs permanentes no rotor, enrolamentos no estator.
Motor de indução : comutado eletronicamente pelo inversor, rotor de indução, enrolamentos no estator.
A seguir, são apresentadas generalizações impetuosas em relação às compensações entre as três tecnologias motoras. Existem muitos exemplos pontuais que desafiam esses parâmetros; meu objetivo é apenas compartilhar o que eu consideraria valores nominais para esse tipo de aplicativo.
- Eficiência:
Escova DC: Motor: ~ 80%, controlador DC: ~ 94% (flyback passivo), NET = 75%
BLDC: ~ 93%, inversor: ~ 97% (flyback síncrono ou controle histérico), NET = 90%
Indução: ~ 91%: inversor: 97% (flyback síncrono ou controle histérico), LÍQUIDO = 88%
- Desgaste / Serviço:
Escova DC: Escovas sujeitas a desgaste; requer substituição periódica. Rolamentos.
BLDC: Rolamentos (vida útil)
Indução: Rolamentos (vida útil)
- Custo específico (custo por kW), incluindo o inversor
Escova CC: Baixo - o motor e o controlador são geralmente baratos
BLDC: Ímãs permanentes de alta potência são muito caros
Indução: Moderada - inversores aumentam o custo, mas o motor é barato
-
Escova de rejeição de calor DC: Os enrolamentos no rotor tornam a remoção de calor do rotor e do comutador um desafio para os motores de alta potência.
BLDC: Os enrolamentos no estator tornam a rejeição de calor direta. Os ímãs no rotor têm aquecimento induzido por corrente de Foucault moderada.
Indução: Os enrolamentos no estator tornam a rejeição do calor do estator direta. As correntes induzidas no rotor podem exigir o resfriamento do óleo em aplicações de alta potência (entrada e saída pelo eixo, sem respingos).
- Comportamento de torque / velocidade
Escova DC: torque de velocidade zero teoricamente infinito, o torque cai com o aumento da velocidade. As aplicações automotivas com escova DC geralmente requerem relações de engrenagem de 3-4 para abranger toda a gama automotiva de grau e velocidade máxima. Eu dirigi um EV motorizado de 24kW DC por vários anos que poderia acender os pneus de uma parada (mas lutava para chegar a 65 MPH).
BLDC: Torque constante até a velocidade base, potência constante até a velocidade máxima. As aplicações automotivas são viáveis com uma caixa de velocidades de relação única.
Indução: torque constante até a velocidade base, potência constante até a velocidade máxima. As aplicações automotivas são viáveis com uma caixa de velocidades de relação única. Pode levar centenas de ms para que o torque seja construído após a aplicação da corrente
- Diversos:
Brush DC: Em altas tensões, o arco do comutador pode ser problemático. Os motores Brush DC são canonicamente usados em aplicações de carrinho de golfe e empilhadeira (24V ou 48V), embora os modelos mais recentes sejam de indução devido à maior eficiência. A frenagem regenerativa é complicada e requer um controlador de velocidade mais complexo.
BLDC: O custo dos ímãs e os desafios de montagem (os ímãs são MUITO poderosos) tornam os motores BLDC viáveis para aplicações de baixa potência (como os dois motores / geradores Prius). A frenagem regenerativa vem essencialmente de graça.
Indução: o motor é relativamente barato de fabricar e a eletrônica de potência para aplicações automotivas diminuiu significativamente de preço nos últimos 20 anos. A frenagem regenerativa vem essencialmente de graça.
Novamente, este é apenas um resumo de nível superior de alguns dos principais drivers de design para seleção de motores. Omiti intencionalmente potência específica e torque específico, pois eles tendem a variar muito mais com a implementação real.