Selection of a traction electric motor for arctic electric transport

Andrey A. Lisov; Лисов Андрей Анатольевич; Alexander G. Vozmilov; Возмилов Александр Григорьевич; Nadezhda Yu. Kuleva; Кулева Надежда Юрьевна; Andrey I. Sogrin; Согрин Андрей Игоревич; Ramil A. Zakirov; Закиров Рамиль Агзамович; Rafael Yu. Ilimbetov; Илимбетов Рафаэль Юрикович

doi:10.17816/transsyst20239244-56

Selection of a traction electric motor for arctic electric transport

Authors: Lisov A.A.¹, Vozmilov A.G.¹, Kuleva N.Y.¹, Sogrin A.I.¹, Zakirov R.A.¹, Ilimbetov R.Y.¹
Affiliations:
1. South Ural State University (NRU)
Issue: Vol 9, No 2 (2023)
Pages: 44-56
Section: Original studies
URL: https://transsyst.ru/transj/article/view/454003
DOI: https://doi.org/10.17816/transsyst20239244-56
ID: 454003

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Aim: selection of a traction motor for electric freight transport operating in the Arctic.

Methods: To achieve this aim, the main characteristics of existing types of DC and AC electric motors were considered, as well as data on the use of one or another type of motor in modern electric vehicle.

Results: A comparative analysis of the most common motors has led to 2 main leaders - a permanent magnet synchronous motor (PMSM) and an induction motor (IM). Both types of motors are fully suitable for solving the aim. However, as it turned out later, PMSM is more often used for light vehicles, while IM in most cases is used for heavier vehicles.

Conclusion: As a result of the analysis, it was decided that for electric transport operating in the Arctic, the best option is to use an induction motor as a traction motor.

Keywords

traction electric motor, special-purpose electric transport, Arctic

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время все большее распространение получают транспортные средства (ТС), которые в своем составе имеют тяговый электропривод (ТЭП). Электротранспорт стал бурно развиваться не только из-за экономических и экологических причин, но и благодаря развитию аккумуляторных батарей (АКБ), увеличения емкости АКБ и скорости их зарядки, уменьшению массогабаритных показателей и стоимости. Электромобили могут применяться как в городской среде, так и вне ее. Решение транспортных задач вне городской среды часто связано с передвижением в районах со слаборазвитой или разрушенной дорожной сетью [1–3]. При эксплуатации ТС по дорогам общего пользования, снежной целине или по местности с грунтами со слабой несущей способностью ТЭП, например, служит дополнительным источником механической энергии, увеличивающим крутящий момент колес необходимый для преодоления препятствий и подъемов.

В нашем случае, разрабатываемая в рамках комплексного проекта по разработке высокотехнологичного производства «Создание высокотехнологичного производства унифицированного семейства транспортных средств «Арктический автобус» для организации безопасной перевозки пассажиров и мобильных пунктов социальной сферы в районах Крайнего Севера в условиях низких температур (до минус 50 °C) для обеспечения связанности территорий Арктической зоны Российской Федерации» колесная машина высокой проходимости «Арктический автопоезд с транспортируемым функциональным модулем» имеет в своем составе активный привод, состоящий из генератора, накопителя электрической энергии и электрического двигателя для привода ведущего моста.

Работа электродвигателя грузового транспорта в Арктических условиях представляет особые вызовы из-за экстремально низких температур, сильных ветров, а также наличия снега и льда. Для обеспечения надежной работы электродвигателя в таких условиях следует учитывать следующие специфические требования.

Термическая защита. Электродвигатель должен быть способен работать в широком диапазоне температур, включая экстремально низкие значения (до -50 °C).

Защита от влаги, коррозии и льда. В Арктической зоне влажность и наличие льда являются обычными явлениями. Влажная и соленая атмосфера Арктики может вызывать коррозию и повреждения электродвигателя.

Сопротивление вибрации. Грузовой транспорт в Арктике сталкивается с неровностями дорог и другими сложными условиями, которые могут привести к сильным вибрациям.

Низкая мощность пуска. Желательно, чтобы двигатель имел как можно меньший пусковой ток для экономии заряда АКБ.

Энергоэффективность. В условиях Арктики доступ к энергии может быть ограниченным. Поэтому электродвигатель должен быть энергоэффективным, чтобы снизить потребление электроэнергии и обеспечить более длительное время работы от ограниченного источника энергии.

Кроме того, не менее важными показателями являются желательно низкая стоимость, высокая надежность и высокий КПД в широком диапазоне скоростей [4–6].

ОБЗОР ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

На Рис.1 приведены различные типы тяговых двигателей переменного и постоянного тока, которые потенциально могут быть применены в качестве тяговых для ТС. В связи с развитием силовых электронных коммутационных устройств и аппаратных средств стало возможным применение в качестве тяговых машины с дискретной коммутацией [7–11].

Рис. 1. Тяговые двигатели постоянного и переменного тока для ТС. Источник: составлено авторами

Данные машины обычно ассоциируется с двумя основными типами: бесщеточными двигателями постоянного тока (БДПТ) и вентильными реактивными электродвигателями (ВРД) [7, 8]. Машины этой категории работают по принципу машин постоянного тока, но с коммутацией при помощи специального инвертора [10].

Двигатели постоянного тока

У двигателей данного типа очень простой механизм регулирования скорости, который может быть реализован посредством обычной широтно импульсной модуляции (ШИМ) [12]. Ранее за счет наличия простого принципа регулирования скорости и малой развитости полупроводниковой техники они были широко распространены в электрифицированной транспортной отрасли, в частности, для трамваев и троллейбусов [7, 8]. Однако наличие щеточно-коллекторного узла делает работу двигателей постоянного тока менее надежной и невозможной без периодического обслуживания, поэтому данное решение не будет оптимальным для ТС, находящихся в сложных климатических условиях. Кроме того, эти двигатели дольно громоздки, обладают низким КПД, низкой надежностью (из-за щеточно-коллекторного узла), и имеют низкую удельную мощность [13–17]. Поэтому применение двигателей данного типа не рекомендуется как для современного легкого электротранспорта, так и для грузового, в том числе специального назначения, работающего в условиях Арктики.

Асинхронные двигатели

Асинхронные двигатели (АД) являются одними из наиболее широко используемых тяговых двигателей благодаря своим ключевым характеристикам, таким как низкая цена, низкие требования к обслуживанию и простота подключения при наличии трехфазной сети питания [5, 7, 8, 16–19]. В АД потери в меди ротора зависят от скольжения двигателя. Высокоэффективные АД предназначены для работы с величиной скольжения менее 3 %, что дает меньшие потери в сердечнике ротора [20].

Стоит отметить, что конкуренцию асинхронным двигателям составляют синхронные двигатели с постоянными магнитами из-за наличия у последних более высокой удельной мощности, высокого КПД и меньших потерь в роторе. Еще одним недостатком асинхронных двигателей является наличие нелинейной механической характеристики, которая сильно подвержена влиянию величины питающего напряжения как показано на Рис. 2. Если применить к двигателям данного типа требования, предъявленные к электротранспорту, работающему в Арктических условиях, то он сможет удовлетворить большинству из них, кроме пункта о низкой мощности пуска.

Рис. 2. Механическая характеристика асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Источник: составлено авторами

Синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ)

У двигателей данного типа на роторе находятся постоянные магниты и при помощи датчиков Холла, а также системы управления с силовыми ключами (инвертора) происходит переключение обмоток статора, которое создает вращающееся магнитное поле, за которым следует ротор двигателя. Постоянные, в особенности редкоземельные, магниты обеспечивают высокую удельную мощность, небольшой вес и объем двигателя, а также высокую эффективность работы за счет снижения потерь в роторе [21]. Также эти двигатели обладает достаточной жесткостью естественной характеристики (Рис. 3) и относительной линейностью характеристик, по сравнению с асинхронным двигателем (Рис. 2).

Рис. 3. Механическая характеристика BLDC-двигателя с постоянными магнитами (U_d₁ > U_d₂ > U_d₃ > U_d₄). Источник: [21]

Основными особенностями СДПМ являются:

высокая эффективность и компактность за счет использования высокоэнергетических постоянных магнитов [15, 22];
легкость охлаждения за счет отсутствия тока у ротора, нагревающейся частью является только статор [22];
низкие эксплуатационные расходы, большой срок службы и надежность за счет отсутствия щеток и механических коммутаторов [8, 23];
низкий уровень шума, поскольку не требуются механические щетки или контактные кольца [8, 22].

Данные двигатели имеют самый высокий КПД среди всех двигателей, доступных сегодня [21, 24]. Однако стоит отметить некоторые недостатки, которые включают в себя высокую стоимость из-за присутствия редкоземельных магнитов, которые также могут размагничиваться под действием высоких температур [8, 20, 22] и обязательное наличие полупроводникового инвертора.

Данный тип двигателей с одной стороны отлично подходит для целей Арктического транспорта, но с другой он намного дороже АД.

Вентильный реактивный электродвигатель (ВРД)

Ротор и статор ВРД выполнены в виде пакетов листов магнитомягкого материала. На роторе ВРД отсутствуют обмотки и постоянные магниты. Фазные обмотки находятся только на статоре. Для уменьшения трудоемкости изготовления катушек обмотки статора могут изготавливаться отдельно, а затем надеваться на полюсы статора. Простота изготовления позволяет достичь высокой надежности, устойчивости к рабочим температурам и высокого диапазона скоростей [25]. Режим постоянной мощности может быть увеличен до 6–7 раз от базовой скорости [26]. Характеристики СРД в основном зависят от конструкции полюсов ротора и требуют некоторого компромисса между постоянной мощностью и постоянным крутящим моментом [27].

Конструкция и основные варианты использования ВРД хорошо объяснены в [28, 29], из этих же исследований можно выделить несколько особенности данных двигателей:

простая конструкция ротора без использования магнитов или обмоток, что отлично подходит для высокоскоростных приложений, относительно легко охлаждается и обладает нечувствительностью к высокой температуре окружающей среды;
невысокая цена (на уровне асинхронных двигателей).

Стоит отметить, что разработка и управление ВРД довольно сложна и как в случае с СДПМ невозможна без использования специального инвертора и датчиков положения ротора. Сильное влияние также оказывает насыщение наконечников полюсов и краевой эффект полюсов и пазов [8]. Шум, пульсация крутящего момента и вибрация являются основными проблемами этих двигателей, особенно на высоких скоростях, поскольку работа основана на последовательном возбуждении диаметрально противоположных обмоток статора. На низкой скорости шум в основном возникает из-за резонансов, вызванных пульсацией крутящего момента, и может быть уменьшен путем соответствующего профилирования форм сигналов фазового тока [27]. При высокой скорости вращения этот шум возникает из-за резонансов радиальной вибрации [30].

Если сравнивать с ранее приведенными двигателями, то явного преимущества для электротранспорта специального назначения, он не имеет. Поэтому для принятия окончательного решения следует подробнее рассмотреть АД и СДПМ.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АД И СДПМ

Выбор тягового электродвигателя основывается на нескольких факторах, включая ограничения транспортного средства, эксплуатационные требования и тип источников энергии [1, 8, 31, 32]. При проектировании привода электромобиля необходимо учитывать следующие моменты:

тип напряжения питания тягового двигателя и способ управления им;
максимальные возможности по скоростным характеристикам и диапазону уровней напряжения и тока в системе;
количество тяговых электродвигателей и одно- или многоступенчатой трансмиссии в гибридной системе;
тип накопителя энергии и его максимальная энергоемкость;

Если опираться на результаты исследований [13, 14, 18, 33], то можно прийти к выводу, что в общем случае для современного электротранспорта по удельным показателям мощности, цены, надежности и сложности управления наиболее лучшим образом подходят ранее рассмотренные АД и СДПМ.

Поскольку однозначный ответ в выборе двигателя не был получен, то на основе исследований [34–38] была составлена Табл.1, отображающая тип двигателя, используемого в качестве тягового для легкового электротранспорта, для тяжелых кроссоверов и коммерческих микроавтобусов и, наконец для автобусов и грузовых транспортных средств.

Таблица 1. Тяговые двигатели, применяемые для электромобилей и гибридов

Производитель	Модель	Тяговый двигатель
Nissan	Tino, Leaf, Altra	СДПМ
Honda	Insight, Accord, Civic	СДПМ
Toyota	Prius C & V	СДПМ
Toyota	Highlander, Avalon	СДПМ
Toyota	Camry	СДПМ
Ford	Fusion SE Hybrid	СДПМ
Ford	C Max Hybrid SEL	СДПМ
Hyundai	Blueon	СДПМ
Chevrolet	Volt & Energi	СДПМ
Renault	Kangoo	АД
Chevrolet	Silverado	АД
Daimler Chrysler	Durango	АД
Tesla	Roadster	АД
Honda	Fit EV	АД
Toyota	Reva4	АД
REVA	NXR	АД
Ford	Focus Electric	АД
Ford	Transit Connect	АД
GM	EV1	АД
BMW	X5	АД
Volkswagen	e-Crafter	СДПМ
Volvo	FM Electric (грузовик)	АД
ЛиАЗ	ЛиАЗ-6274.20 «e-Citymax 18» (автобус)	АД
КамАЗ	КАМАЗ-6282 (автобус)	АД
VolgaBus	Ситиритм 12 ELF	АД

Из данных в Табл. 1 видно очевидное преобладание СДПМ -двигателей для легковых седанов и хетчбэков, в то время как на тяжелых кроссоверах уже чаще применяется асинхронный двигатель специального исполнения. Для коммерческого транспорта, такого как автобусы, а также для тяжелых грузовых транспортных средств в абсолютном большинстве используется асинхронный двигатель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, сравнительный анализ наиболее распространенных двигателей привел к двум основным лидерам – синхронному двигателю с постоянными магнитами и асинхронному двигателю.

Как было сказано ранее, тяговый электропривод, работающий в тяжелых арктических условиях, должен обладать рядом защит от внешних условий и высокой ремонтопригодностью. Оба типа двигателей в полной мере подходят для данных задач в виду возможности исполнения закрытого корпуса и простоты конструкции.

Обзор применяемых в электротранспорте двигателей показал, что СДПМ чаще применяется для легкового транспорта, в то время как асинхронный двигатель используется для более тяжелого транспорта.

Вышеперечисленные факты, а также более привлекательная цена позволяют заключить, что для поставленной цели наиболее оптимальным вариантом в качестве тягового электродвигателя стоит использовать асинхронный двигатель.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства «Создание высокотехнологичного производства унифицированного семейства транспортных средств «Арктический автобус» для организации безопасной перевозки пассажиров и мобильных пунктов социальной сферы в районах Крайнего Севера в условиях низких температур (до минус 50 °C) для обеспечения связанности территорий Арктической зоны Российской Федерации» с использованием мер государственной поддержки развития кооперации российских образовательных организаций высшего образования, государственных научных учреждений и организаций реального сектора экономики, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства, предусмотренных постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 по Соглашению №075-11-2021-058 от 25.06.2021г. (Идентификатор государственного контракта 000000S407521QLY0002) между Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и Акционерным обществом «Автомобильный завод «УРАЛ» в кооперации с Головным исполнителем НИОКТР – Федеральным государственным автономным образовательным учреждением высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)». НИОКТР выполнен в организации Головного исполнителя НИОКТР.

Авторы заявляют, что:

у них нет конфликта интересов;
настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.