Evs Drive Permintaan untuk Motor Induksi Squirrel Cage

Bayangkan sebuah "jantung" yang sangat efisien berdetak tanpa suara di dalam kendaraan listrik—yang menghasilkan tenaga yang andal tanpa struktur sikat yang rumit. Ini adalah motor induksi sangkar tupai (SCIM), motor AC yang banyak digunakan baik dalam aplikasi industri maupun kendaraan listrik. Namun apa yang membuat motor ini unik, serta tantangan dan peluang apa yang dihadapinya?

Ringkasan

Motor induksi sangkar tupai merupakan motor AC brushless yang ditenagai oleh tegangan dan arus sinusoidal. Konstruksinya yang sederhana, biaya rendah, keandalan tinggi, daya tahan, riak torsi minimal, persyaratan perawatan rendah, dan kemampuan beroperasi di lingkungan yang keras menjadikannya ideal untuk aplikasi industri dan sistem propulsi listrik.

Aplikasi Kendaraan Listrik

SCIM telah diterapkan di beberapa kendaraan listrik baterai (BEV) yang tersedia secara komersial, termasuk mobil penumpang, bus, dan truk ringan. Contoh penting termasuk Tesla S-2014, Tazzari Zero, Mercedes-Benz B-Class Electric Drive, Mahindra e2o, dan Toyota RAV4 EV. Selain itu, versi pertama truk listrik ringan Newton dari Smith Electric Vehicles dan bus listrik baterai Optare Solo EV juga menggunakan SCIM tiga fase.

Prinsip Kerja dan Fitur Struktural

Sebagai motor asinkron, SCIM beroperasi dengan perbedaan antara kecepatan medan magnet putar yang dihasilkan oleh belitan stator dan kecepatan rotor. Strukturnya yang relatif sederhana menyederhanakan desain dan proses pembuatan dibandingkan jenis motor lainnya. Tidak seperti motor magnet permanen, SCIM menggunakan bahan yang lebih terjangkau. Meskipun SCIM tiga fasa adalah yang paling umum, motor dengan nomor fasa lebih tinggi sedang dikembangkan untuk meningkatkan kepadatan daya dan mengurangi riak torsi dan arus per fasa.

Rotor berisi sangkar tupai aluminium cor, dengan arus rotor yang diinduksi oleh medan magnet berputar stator. Interaksi antara medan ini dan medan magnet arus rotor menghasilkan torsi elektromagnetik. Efisiensi dapat ditingkatkan dengan menggunakan tembaga sebagai pengganti aluminium untuk batang rotor dan cincin ujung.

Keterbatasan Kinerja dan Tindakan Peningkatan

SCIM memiliki kelemahan yang melekat termasuk kontrol kecepatan rendah yang sulit, faktor daya yang rendah pada beban ringan, arus awal yang tinggi, efisiensi yang relatif rendah, dan pemanfaatan inverter yang buruk. Bahkan dalam kondisi tanpa beban, arus magnetisasi meningkatkan rugi-rugi tembaga dan rating konverter elektronik. Teknik pengendalian yang tepat dapat mencapai torsi awal maksimum sambil mempertahankan arus awal yang rendah.

Untuk aplikasi motor hub, SCIM dapat menggunakan rotor sangkar luar untuk meningkatkan diameter celah udara dan torsi keluaran. Khususnya, SCIM memiliki kepadatan torsi dan efisiensi yang lebih rendah dibandingkan jenis motor lainnya, sehingga lebih cocok untuk BEV dibandingkan kendaraan hibrida atau hibrida plug-in yang memiliki keterbatasan ruang. Kecepatan maksimum biasanya dibatasi hingga 10.000 rpm, meskipun teknik pelemahan medan dapat memperluas rentang daya konstan hingga 4-5 kali kecepatan dasar—sebuah persyaratan penting untuk kendaraan listrik.

Teknologi Kontrol

Berbagai teknik kontrol kecepatan dan torsi saat ini digunakan. Yang paling sederhana adalah kontrol skalar, yang menyesuaikan besaran dan frekuensi tegangan, meskipun kinerja transiennya terbatas. Untuk meningkatkan respons transien, kontrol berorientasi lapangan (FOC) dan kontrol torsi langsung (DTC) sedang diterapkan, sementara metode kontrol tanpa sensor (menghilangkan sensor kecepatan/posisi) semakin mendapat perhatian.

Motor Magnet Permanen

Motor tanpa sikat magnet permanen terbagi dalam dua kategori: DC tanpa sikat (BLDC) dan AC tanpa sikat (motor sinkron magnet permanen atau PMSM). Meskipun keduanya memiliki rotor magnet permanen, pengaturan belitan statornya berbeda. Motor BLDC menggunakan belitan trapesium dengan EMF belakang trapesium, biasanya ditenagai oleh arus fasa persegi panjang. Hal ini memungkinkan metode kontrol sederhana menggunakan umpan balik posisi yang dirasakan enam kali per rotasi.

PMSM berevolusi dari motor sinkron rotor belitan, menggantikan belitan eksitasi sikat/cincin selip dengan magnet permanen. Statornya menyerupai motor induksi, dengan belitan sinusoidal yang menghasilkan EMF balik sinusoidal yang ditenagai oleh arus sinusoidal. Perbedaan-perbedaan ini secara signifikan berdampak pada perilaku motor dan algoritma kontrol, membuat PMSM lebih cocok untuk sistem traksi kendaraan listrik.

Desain Motor Magnet Permanen

Meskipun sebagian besar PMSM menggunakan desain fluks radial, konfigurasi fluks aksial menawarkan keunggulan dalam rasio torsi terhadap inersia dan kepadatan daya untuk rentang daya tertentu, khususnya dalam aplikasi motor hub. Magnet tanah jarang mendominasi sistem propulsi kendaraan listrik karena sifat magnetnya yang unggul, meskipun PMSM berefisiensi tinggi dapat dirancang dengan tingkat magnet yang lebih rendah.

PMSM tanah jarang menawarkan karakteristik menarik termasuk kepadatan daya/torsi tinggi, pengoperasian kecepatan sinkron, efisiensi tinggi, kontrol torsi presisi, dan pengoperasian bebas perawatan. Namun, keterbatasannya mencakup kemampuan pelemahan lapangan yang terbatas (terutama pada PMSM yang dipasang di permukaan), risiko demagnetisasi akibat guncangan mekanis, suhu tinggi, atau efek arus pendek—membuat keselamatan dan toleransi kesalahan menjadi perhatian penting.

Motor Keengganan Beralih

Switched reluctance motor (SRM) adalah mesin tanpa sikat dengan struktur menonjol ganda—rotor dan stator memiliki kutub yang menonjol. Stator berisi belitan terkonsentrasi mirip dengan motor DC, sedangkan rotor tidak memiliki belitan atau magnet. Gerakan rotor dipertahankan dengan memberi energi pada kutub stator secara berurutan melalui kontrol elektronik.

SRM menawarkan kesederhanaan, biaya rendah, dan kemudahan manufaktur karena struktur rotornya yang tidak rumit. Mereka memberikan rentang kecepatan daya konstan yang diperluas (hingga 7:1)—ideal untuk penggerak EV tanpa roda gigi—bersama dengan kemampuan suhu tinggi, inersia rotor rendah, torsi awal yang tinggi, dan akselerasi yang cepat. Namun, keterbatasan yang melekat mencakup riak torsi yang signifikan, getaran, kebisingan akustik, kontrol yang rumit karena nonlinier yang tinggi, dan efisiensi yang lebih rendah akibat kehilangan besi yang lebih tinggi.

Motor Pengalih Fluks

Motor pengalih fluks (FSM) adalah mesin tanpa sikat yang sangat menonjol yang sedang diselidiki untuk aplikasi traksi. Statornya mengandung belitan eksitasi DC dan belitan jangkar AC (biasanya tiga fase), sehingga mengurangi getaran/kebisingan dibandingkan dengan SRM. Kesederhanaan rotor membuat FSM kuat untuk pengoperasian kecepatan tinggi.

Varian FSM meliputi tipe lilitan-eksitasi (WFFSM), magnet permanen (PMFSM), dan tipe hibrid-eksitasi (HEFSM). Meskipun PMFSM menunjukkan rentang kecepatan daya konstan yang terbatas, WFFSM unggul dalam hal ini melalui kontrol belitan DC. Fitur FSM yang menarik mencakup kesederhanaan struktural, kerapatan fluks celah udara yang tinggi (menghasilkan kerapatan daya/torsi yang tinggi), dan ketangguhan untuk lingkungan yang keras. Kerugiannya termasuk kerugian tembaga yang lebih tinggi dan riak torsi yang melekat.

Motor Keengganan Sinkron

Motor keengganan sinkron (SynRMs) beroperasi secara sinkron melalui daya AC tiga fase. Rotornya yang dilaminasi—tidak mengandung konduktor maupun magnet—meminimalkan kehilangan rotor. Torsi hanya berasal dari keengganan magnetik, yang memerlukan rasio arti-penting tinggi (Ld/Lq) untuk kinerja optimal. Desain rotor multi-fluks-penghalang memandu fluks magnet sekaligus memblokir fluks sumbu kuadratur.

SynRM menawarkan kesederhanaan manufaktur dan persyaratan faktor daya/inverter yang kompetitif dibandingkan motor induksi, meskipun mereka tertinggal dari PMSM dalam hal efisiensi dan kepadatan torsi. Desain penghalang fluks yang cermat dapat mengurangi masalah riak torsi. Beberapa produsen kini menawarkan SynRM tingkat industri, dengan prototipe terbaru yang dikembangkan untuk aplikasi EV.

Motor Keengganan Sinkron Berbantuan Magnet Permanen

Memasukkan magnet ke dalam rotor SynRM menciptakan PMa-SynRM—kandidat yang menjanjikan untuk penggerak EV. Mirip dengan PMSM interior, mesin ini menanamkan magnet ferit pada penghalang fluks rotor untuk meningkatkan rasio arti-penting. Polaritas magnet melawan fluks sumbu kuadratur, meminimalkan Lq dan memaksimalkan rasio Ld/Lq untuk meningkatkan torsi keengganan (yang mendominasi torsi penyelarasan).

PMa-SynRM menggabungkan keunggulan motor PM dan keengganan: efisiensi tinggi, kepadatan, faktor daya, dan rentang kecepatan. Penggunaan ferit berbiaya rendah sebagai pengganti magnet tanah jarang mengatasi masalah biaya/pasokan sekaligus mengurangi risiko demagnetisasi dan EMF balik. Desain rotor menggunakan rongga multi-lapisan untuk ferit tertanam, mengoptimalkan arti-penting magnetik. Meskipun belum dikomersialkan dalam kendaraan listrik, upaya pengembangan prototipe PMa-SynRM berbasis ferit terus berlanjut.

Perbandingan Performa Motor

Saat mengevaluasi jenis motor (SRM, WFFSM, PMFSM, PMa-SynRMs, PMSM, dan SCIM), tidak ada kandidat yang secara jelas mengungguli kandidat lainnya di semua metrik. Pertimbangan utama mencakup riak torsi, kebisingan/getaran, kemampuan manufaktur, ketangguhan, toleransi kesalahan, rentang daya konstan, dan kompleksitas kontrol. Analisis komprehensif diperlukan untuk mencocokkan persyaratan aplikasi spesifik dengan karakteristik motorik optimal.