Гибридный электромотор

В последние годы электромобильная компания Tesla устанавливает в свои авто гибридные электродвигатели IPM-SynRM. Эта аббревиатура расшифровывается как Internal Permanent Magnet Synchronous Reluctance Motor. Новинкой оснащаются модели Model S Plaid, Model 3 и новые версии знаменитой Model S. На первый взгляд название выглядит странно: Internal Permanent Magnet Synchronous Motor (синхронный двигатель с постоянными магнитами внутри) - это одно, а Synchronous Reluctance Motor (синхронный реактивный двигатель) - совсем другое. Здесь же всё собрано в кучу. Как и зачем появился столь причудливый гибрид?

Многие производители электрических авто, включая компанию Tesla, поначалу использовали старый добрый трёхфазный асинхронный электродвигатель, питаемый от полупроводникового инвертора. Но такой двигатель не относится к самым эффективным (его КПД обычно не превышает 94%), имеет малый коэффициент мощности при небольших нагрузках и ряд других недостатков. Переход на синхронные электродвигатели с постоянными магнитами в роторе помог компаниям повысить КПД (до 96% и даже чуть выше), но создал новые проблемы. Синхронный электродвигатель, обладающий большим вращающим моментом, - как раз то, что нужно для старта и медленного подъёма автомобиля в гору. Однако на высоких оборотах такой двигатель работает неэффективно из-за электромагнитной индукции. Находящиеся во вращающемся роторе магниты (точнее, их поле) наводят в статорных обмотках напряжение, которое вычитается из напряжения, приложенного извне. Двигатель начинает работать в режиме генератора, а потому инвертор должен подавать на статорную обмотку напряжение гораздо большее, чем на низких оборотах, что крайне усложняет конструкцию инвертора, не говоря о его удорожании. Помимо этого возникают потери энергии из-за вихревых токов.

Отмеченных недостатков лишён синхронный реактивный электродвигатель (рис. 1), принцип работы которого основан на разнице магнитных проводимостей по разным линиям (на поперечном разрезе ротора). Создаваемое обмотками статора вращающееся магнитное поле увлекает за собой ротор, который всё время поворачивается так, чтобы магнитное поле статора проходило по пути с наибольшей магнитной проводимостью.

Разное сопротивление магнитному потоку в разных направлениях достигается с помощью специальных прорезей в стальных пластинах, из которых собран ротор. «Беличьей клетки» (системы короткозамкнутых витков), как у асинхронного двигателя, здесь нет, а значит, сокращены потери энергии в роторе и снижены требования к его охлаждению. Не имея в роторе магнитов, реактивный электродвигатель на высоких оборотах не создаёт индуцированные токи.

Опуская лишние подробности, отметим, что если синхронные электродвигатели с постоянными магнитами хороши на низких скоростях, то синхронные реактивные двигатели - на высоких. А как совместить достоинства тех и других? Инженеры нашли способ.

В моторе IPM-SynRM постоянные магниты размещены в прорезях, создающих сопротивление поперечному магнитному потоку. Магниты имеют радиальную ориентацию полюсов, которая чередуется (рис. 2). Система рассчитана так, что на низких оборотах поле магнитов взаимодействует с вращающимся полем статора, создавая крутящий момент, а на высоких - компенсируется, а потому не генерирует паразитные напряжения в статорных обмотках. Как следствие, на высоких оборотах задействован только реактивный эффект.

Японская компания Toyota начала использовать двигатели IPM-SynRM (в гибридных автомобилях Prius) задолго до Tesla. При этом у японского автопроизводителя постоянные магниты цельные, а у американского - составленные из четырёх элементов. Насчёт этого решения есть разные мнения. Одни специалисты говорят, что разрезка магнитов на элементы помогла сократить в них вихревые токи, которые повышают температуру и способствуют размагничиванию. Другие указывают на то, что Tesla может применять магнитную сборку Халбаха - такую конфигурацию постоянных магнитов, у которой магнитное поле с одной стороны почти отсутствует, а с другой - усилено (рис. 3). Этот вопрос ещё предстоит уточнить.

По себестоимости гибридный двигатель IPM-SynRM оказывается дороже асинхронного, но дешевле синхронного с постоянными магнитами, поскольку содержит меньшее количество дорогостоящих редкоземельных металлов. Он наиболее сложен в управлении, однако алгоритмы работы контроллера создаются один раз, так что при массовом производстве этот фактор нивелируется. КПД доходит до 97%

Любопытно, что в исполнении Tesla ротор двигателя IPM-SynRM одет в «рукав» из углеродных нитей, под которым находится скрепляющий слой эпоксидной смолы. Дело в том, что для автоматизации сборки двигателей компания разрезала пластины на куски и была вынуждена предусмотреть прочную стяжку, чтобы куски пластин вместе с магнитами не разлетались под воздействием центробежных сил.

Стоит отметить, что во всех инверторных синхронных двигателях на низких оборотах проявляются колебания вращающего момента, чреватые вибрациями. Ведь инверторы построены на электронных ключах, которые имеют два состояния (открытое и закрытое), а потому выдают в нагрузку прямоугольные импульсы. Добиться строго синусоидальной формы напряжения во всём диапазоне частот с полупроводниковым инвертором невозможно, поэтому магнитное поле в статоре вращается рывками. Данный эффект можно попытаться смягчить, чередуя в роторе пластины разных размеров, но это будет «симптоматическое лечение», а не кардинальное решение проблемы.

С инженерной точки зрения эффективность синхронного двигателя с постоянными магнитами и IPM-SynRM примерно одинакова, но в наше время в производственных компаниях многое решают маркетологи. Если они пожелают заявить о небольшом преимуществе в КПД, которое транслируется в несколько дополнительных километров пробега без зарядки аккумулятора, то двигатель получит на производстве «зелёный свет».