Pildi allikas: https://bit.ly/3gPCch3
ELEKTRI MOOTORID
Alljärgnevas õppematerjalis vaatleme põhilisi elektrisõidukites kasutatavaid elektrimootoreid/elektrimasinaid.
Erinevad tootjad kasutavad mitmesuguseid erilahendusi, küll aga jääb üldine tööpõhimõte ja ehitus sisuliselt muutumatuks.
Materjali läbitöötamiseks kulub hinnanguliselt 10 akadeemilist tundi.
Õpiobjekt sisaldab teooria osa ning õpiobjekti lõpus kahte sorti enesekontrolli küsimusi.
Kordamisküsimused on rohkem avatud küsimused ning nendele vastates suudad mõtestada elektrisõiduki üldisemat ehitust.
Rohelisel taustal enesekontrolli testid on rohkem konkreetse õppeteema kohta ning faktipõhised.
Teema võib lugeda omandatuks kui oskad vastata kordamisküsimustele ning enesekontrolli testi õigeid vastuseid on üle 80%
Enne kui liigume edasi käesoleva õppematerjali juurde peaksime endale selgeks tegema mõned mõisted.
Tihtipeale räägitakse elektrisõidukite juures veomootorist/elektrimootorist/elektriajamist. Põhimõtteliselt tähendavad need kõik sama- elektrimootor, mis annab sõidukile jõu edasi liikumiseks.
Elektrimootor on elektromehaaniline seade, mis muundab elektrienergia mehaaniliseks tööks.
Selle mõiste kasutamine elektrisõiduki juures on õige, aga tähelepanu peab pöörama kontekstile. Tänapäeva autos kasutatakse kümneid elektrimootoreid (aknad, istmed, ventilaatorid), mis kõik võivad olla natuke erineva tööpõhimõttega.
Elektrimasin on energiamuundur, millega muundatakse mehaanilist energiat elektrienergiaks (elektrigeneraator) ning elektrienergiat mehaaniliseks energiaks (elektrimootor).
Kuna elektrisõidukite mootorit saab pidurduse ajal ka generaatorina kasutada (rattad liigutavad mootori rootorit- regenereeriv pidurdus), siis oleks elektrisõiduki kohta elektrimasin öelda kõige korrektsem.
Veomootor on elektrisõidukit käitav elektrimootor.
Selle mõiste kasutamisel on selge, millisest elektrisõidukis olevast mootorist räägitakse- elektrimootorist, mis annab jõu ratastele, mis omakorda liigutavad sõidukit.
Elektriajam on ajam, mis koosneb elektrimootorist koos selle juurde kuuluvate ülekande-, juhtimis-, reguleerimis- ja kaitseseadmetega.
Elektrimootor üksi ei liiguta ühtegi sõidukit. Alati on ta seotud mingisuguse ülekande kaudu ratastega ning elektrimootorit juhib mingisugune juhtimissüsteem. Viimane võimaldab teda käitada soovitud pöörete ja võimsusega.
Alljärgnevas materjalis me räägime elektrimasinast ja ennekõike elektrimootorist, kuna elektrisõidukis on veojõu tekitamine ratastele tema peamine funktsioon.
Kõik elektrimootorid on oma tööpõhimõttelt sarnased - elektrimasinad töötavad elektromagnetilise induktsiooni nähtuse ja Lorentzi jõudu põhimõttel. Nad erinevad üksteisest suuruse, võimsuse ja kasutusotstarbe tõttu.
Juhtimis- ja ülekande süsteemide kohta saad täpsemalt lugeda siit "Komponendid ja juhtimissüsteemid"
Kuigi elektrimootorid on tööpõhimõttelt sarnased, liigitatakse neid väga erinevalt. Tihtipeale on uus mootori tüüp millegi eelneva edasiarendus ning erinevate mootori tüüpide ristand.
Elektrisõidukite veomootoritena kasutatakse põhiliselt 4 mootri tüüpi:
harjavaba alalisvoolu mootor (Brushless DC- BLDC)
püsimagnetiga sünkroonmootor (permanent magnet synchronous motor - PMSM)
asünkroonmootor (induction motor)
reluktantsmootor (reluctance motor)
Kõikidel eelmainitud mootoritel on sarnane staator. Erinevused tekivad rootori ehituses ning mootori juhtimissüsteemis.
Elektrimootor VS sisepõlemismootor
Sõidukitel kasutatav veomootor peab töötama väga erinevates reziimides:
kohaltvõtt
mäest üles sõit
madalal kiirusel sõit
möödasõit
kiirtee sõit
Alljärgnevalt püüame nende sõidurežiimide kaudu võrrelda sisepõlemismootorit ja elektrilist veomootorit.
Pildi allikas: https://bit.ly/2U0KkCv
Sisepõlemismootoriga sõiduki üldehitus:
Sisepõlemismootoriga sõiduk vajab peale mootori veel mitmeid abiseadmeid, ennem kui jõud ratasteni jõuab.
Kas oskad nimetada pildil kõik seadmed? Nende tööpõhimõtte?
Kahe erineva jõuülekande võrdluses on selgelt näha, et elektrisõiduk on ehituselt lihtsam. Lisanduvad veel puhas ja lihtne tankimine (ärme aega arvestame) ning olematu müra töötamisel. Sellest tulenevalt võib juba praegu järeldada, et elektrimootor on mitu korda parem ja efektiivsem lahendus kui kui sisepõlemismootor.
Elektrisõiduki üldehitus:
Elektrisõidukil puuduvad väga paljud detailid mis sisepõlemismootoriga sõidukil. Vaja on ainult mootorit, selle juhtsüsteemi, elementaarset peaülekannet ning akut.
Kuigi ehituslikult on elektriauto väga lihtne, on siin pildil näha ka suur elektriauto puudus- aku. Elektrimootoreid oskame me teha väga võimsaid ja väikeseid, aga nende tööks vajalikku energia kaasas kandmiseks pole veel väga head akutehnoloogiat. Mida suurem aku mahtuvuselt, seda raskem ta on ja seeläbi ka kauem laeb....
Aku on ka elektrisõiduki üks kallemaid detaile, moodustades sõiduki hinnast kuni 40%
Pildi allikas: http://prod-upp-image-read.ft.com/0ffda32a-23b7-11e9-b20d-5376ca5216eb
Sisepõlemismootor ja käigukast. Hinnanguliselt 300 liikuvat osa.
Pildi allikas: https://bit.ly/3BL2xFz
Elektrisõiduki mootor, peaülekanne. Hinnanguliselt 9 liikuvat osa.
Elektrimootori pöördemoment
Teada tuntud tõde on, et elektriauto kiirendab väga järsult ja 0-100km/h dünaamika on väga hea. Miks nii?
Ülalmainitud viiest mootori põhiülesandest 4 on seotud pöördemomendiga- kiirendamine, kohaltvõtt, möödasõit, madal kiirusega sõit.
Sisepõlemismootor suudab välja anda maksimaalset pöördemomenti väga väikses pöörete vahemikus.
Et hoida SPM pöördeid kõige optimaalsemana ( kõrvalolevas näites ca 3700rpm) kasutatakse tänapäeval väga paljude käikudega (8-10 käiku) automaat käigukaste.
Elektrimootor suudab aga maksimaalset pöördemomenti välja anda praktiliselt kohe, kui ta tööle hakkab. Seetõttu ei ole vaja tavapärast käigukasti, millega mõjutada pöörete/pöördemomendi suurust. Enamus elektriautode mootoreid suudavad teha 0-15 000rpm. Seetõttu on tavaolukorras ja liikluses ühest käigust nende puhul piisav.
Kõrvaoleval pildil on Tesla model S ja Camaro RS dünamomeetrilised graafikud. Nagu näha on Tesla kuni 120MPH kindel võitja. Mootor annab välja maksimaalset pöördemomenti ja seda sujuvalt. SPM sõiduk peab aga käiku vahetama, et hoida mootori pöörded ja pöördemoment optimaalses vahemikus.
Kõrvalolevalt pildilt näeb ka elektrisõidukite väikese miinuse- tippkiiruses ei suuda tavapärased lahendused SPM võistelda. Tesla Model S lõppkiirus 240km/h, Leafil 160km/h.
Miks nii?
Üheks piirajaks on seesama ühekäiguline käigukast- suurtel kiirustel muutuvad elektrimootori pöörded nii suureks, et edasi kiirendada pole otstarbekas (17000rpm)
Porche Tycan kasutab seetõttu näiteks 2 käigulist käigukasti - 1 käik kuni 110km/h, teine kuni 260km/h
Teiseks piirajaks on Tesladel kasutatav asünkroonmootor iseenesest- mida suuremaks läheb pöörlemiskiirus seda väiksemaks läheb mitte sünkroonsus ning seeläbi mootori poolt arendatav pöördemoment.
Tavaliikluse jaoks pole see aga muidugi probleem. Kiirustel 0-120km/h on iga elektrisõiduk väga kiire ning tavaliikluse jaoks on see piisav.
Pildi allikas: https://www.mpoweruk.com/images/power_torque.gif
Pildi allikas: https://bit.ly/2V8mWDv
Elektrimootori eelised sisepõlemismootori ees:
suur pöörete vahemik (0-20000rpm) SPM- 1500-4500rpm
effektiivne- kasutegur ca 90% SPM- max 40%
vaikne ja vibratsioonivaba
odavam valmistada
töökindel - väga vähe liikuvaid detaile
kiire reageerimine pöörete ja koormuse muutusele
väga ühtlane võimsuse ja pöördemomendi vahemik
oma suuruse kohta väga võimas
Elektrimootorite ajalugu
Elektromagnetismi avastaja ja teerajaja, kes leidis viisi elektrienergia mehaaniliseks energiaks muutmiseks on Briti teadlane Michael Faraday 1821. aastal.
Vabalt rippuv juhe oli kastetud elavhõbedaga täidetud vanni, mille keskel oli püsimagnet. Kui juhtmest voolu läbi lasti, hakkas juhe magneti ümber ringlema. Seda mootorit demonstreeritakse tänapäeval füüsikatundides, aga toksilise elavhõbeda asemel kasutatakse näiteks soolvett. See on kõige lihtsaimat tüüpi mootor – homopolaarne mootor.
Elektrimootorite ja -ajamite laiem kasutamine algas 1870-datel aastatel, pärast töökindlate generaatorite leiutamist. See tõi endaga kaasa elektrijaamade ehitamise ja neist saadava elektrienergia märgatava odavnemise.
Tänapäevaks moodustavad elektrimootorid maailma energeetikas suurima elektritarvitite rühma, tarbides ligikaudu 2/3 kogu toodetavast elektrienergiast.
Pildi allikas: https://www.geocities.ws/jcc5001pt/museumotorfaraday_ficheiros/image005.gif
Tööpõhimõte
Elektrimasinad töötavad elektromagnetilise induktsiooni nähtuse ja Lorentzi jõudu põhimõttel - Eri pooluselised magnetväljad tõmbuvad, samapooluselised tõukuvad!
Elektromagnetiline induktsioon- kui keerdus juhtmesse lasta elektrivool, tekib juhtme ümber magnetväli. Mida rohkem on keerde või suurem on vool juhet läbib, seda suurem magnetväli tekib.
Ehitus:
Elektrimootoril on väga suures plaanis ainult kolm põhi osa:
staator - "väliskest" Lihtne meelde jätta, staator seisab staatiliselt
Staatoris on mähised mis moodustavad pooluspaarid. tavaliselt kasutatakse vasest mähise traati.
Staator on sarnane kõikidel mootori tüüpidel.
rootor - sisemine pöörlev "võll" Lihtne meelde jätta, rootor pöörleb, roteerib.
Rootor võib olla mingisugusest metallist, magnetist või nendest mõlemast.
voolu juhtimis süsteem- mille ülesanne on magnetvälja suurust/poolust muuta ning seeläbi mootor tööle panna (harjadega, faasi sagedus muundur)
lisaks laagrid staatori otstes
Nagu näha, tuleb siit välja üks elektrimootori suurimaid eeliseid sisepõlemismootori ees. Põhimõtteliselt ainukesed detailid (harjadega mootoril lisanduvad harjad ning kommutaator), mis hõõrduvad omavahel ja tekitavad mingisugust kulumist on laagrid rootori otstel.
See teeb tavapärase elektrimootori kasuteguriks üle 90%. ning muudab ta suhteliselt hooldusvabaks.
Kuna elektrimootorites kasutatakse elektromagneteid, siis osa energiast muutub tahes tahtmata soojuseks. Mida võimsam on mootor, seda suuremaid magneteid kasutatakse ning suurem soojushulk kaotsi läheb.
N: kõrvaloleval pildil on mootori jahutuseks ribid staatori korpusel.
Pildi allikas: https://i.gifer.com/P8c.gif
Pildi allikas: https://i.makeagif.com/media/11-04-2015/BgHIjx.gif
Tööpõhimõte:
Peaaegu kõik elektrimootorid põhinevad magnetismil. Neis mootorites loovad nii staator kui rootor magnetvälju. Nende magnetväljade erinevus tekitab jõudu, mis väljendub väändemomendina võllis. Üks või mõlemad magnetväljad peavad muutuma koos rootori keerlemisega. See saavutatakse pooluste sisse- ja väljalülitamise või voolu tugevuste/sageduste muutmisega.
Elektrisõidukites kasutatavatel mootoritel on väga palju erinevaid pooluspaare. Mida rohkem neid on, seda suuremat pöördemomenti mootor välja annab. Samuti töötab mootor sujuvamalt, vaiksemalt ning tema käivitamine on lihtsam (kohaltvõtt)
Pildi allikas: https://bit.ly/3x5akKx
Tesla
Pildi allikas: https://bit.ly/2Vhy0Oy
Jah, vastasel juhul tekitame juhtmepoolist (palju keerdus juhet ja suur vool läbib neid) elektromagneti. See tegevus aga vähendab voolu hulka, mis jõuab tarbjani ning seade ei pruugi korralikult töötada. Halvemal juhul võib see seadme rikkuda.
AC või DC (alalisvoolu või vahelduvvoolu mootor)
AC ehk alalisvool - on voolu pidevalt samasuunaline ja ühtlane
DC ehk vahelduvvool - on voolu suund ajas pidevalt muutuv
Mõlemal mootoritüübil on oma eelised ja puudused.
Elektrisõidukite veomootorina kasutatakse enamasti vahelduvvoolu mootoreid.
Alalisvoolu mootori eelised:
ta ei vaja erilist juhtimissüsteemi (lihtsamatel kasutatakse kasutatakse harjasid)
hea kontroll pöördemomendi ja kiiruse üle- voolu muutmisega
kiiruse muutmine toimub läbi toitepinge reguleerimise või PWM – pulsilaiusmodulatsioon
Alalisvoolumootori puudused:
keskmine eluiga- harjad kuluvad
pika aja peale ja temperatuuri tõustes järsult magnetid demagnetiseeruvad
Oma lihtsa ja kompaktse ehituse tõttu kasutatakse neid auto lisaseadmetes (aknatõstukid, kojamehed, puhurid...) ja käsitööriistades (akutrellid), mänguasjades jne...
Vahelduvvoolu mootori eelised:
puuduvad harjad/kommutaator- sisendpinge muutus tekitab vajaliku magnetvälja muutuse.
ühtlane töö
praktiliselt hooldusvabad
Vahelduvvoolumootori puudused:
halb kiirust hoida- vajab eraldi keerukat sagedusmuundurit
mõnevõrra keerukas ehitus - üldjuhul võimsad mootorid, suured mähised
Tööpõhimõtte järgi jagatakse vahelduvvoolumootorid kaheks: sünkroon – ja asünkroonmootorid.
Oma küllaltki väikeste mõõtmete/võimsuse suhte tõttu kasutatakse enamjaolt elektrisõidukite veomootorina vahelduvvoolu mootoreid.
ALALISVOOLU MOOTOR:
Pildi allikas: https://bit.ly/2TWctKM
VAHELDUVVOOLU MOOTOR:
Pildi allikas: http://www.tthk.ee/Elektriajamid_2011/assets/synchronous-motor_03a.gif
Harjavaba alalisvoolu mootor:
Elektrimootorite erilahendusi on väga palju. Elektrisõidukite puhul tasuks ära mainida veel harjavaba alalisvoolu mootor (BLDC- brushless dc motor)
Selline mootor omab alalisvoolumootori eeliseid (lihtne, kompaktne), kuid ei sisalda kuluvaid detaile- harjasi.
Mootorit juhtimine käib alalisvooluga, küll aga läbi kontrolleri, kus tavaliselt transistoritega eri mähiste pöörd magnetvälja tekkeks staatoris voolu sisse/välja lülitatakse.
Samuti vajab selline mootor rootori asukoha kindlakstegemiseks mingisugust andurit (Halli andur). Selle info järgi teab kontroller, millist mähist ergutada, et mootor tööle hakkaks. Infot on vaja samuti mootori pöörlemis kiiruse määramiseks.
Harjavabad alalisvoolu mootorid töötavad vaikselt, väga püsiva kiirusega, on hooldusvabad, nende pöördemoment on suurem ning neid on sujuvam juhtida.
Kasutuskohad:
elektrijalgratastes
väiksemates elektri mootorratastes
CD mängijates
elektritõukeratastes
pesumasinates
väiksemates elektrisõidukites (bussid, golfikärud)
Pildi allikas: https://www.pantechsolutions.net/blog/wp-content/uploads/2020/05/BLDC-MOTOR-CONTROL.gif
Pildi allikas: https://thumbs.gfycat.com/AcceptableFreeLeopard-size_restricted.gif
Sünkroon- ja asünkroon mootorid
Püsimagnetiga sünkroonmootor:
Selline mootor kasutab rootoris püsimagneteid. Staatori mähistes tekitatakse magnetväli, ning rootor hakkab kaasa liikuma vastavalt mähistes tekkivale magnetväljale. Rootori mähise poolused "lukustavad" ennast staatori pöördmagnetvälja külge ja nii rootor kui staator liiguvad ühe kiirusega- sellest ka nimi, sünkroonmootor.
Mähistes tekkivat magnetvälja juhitakse faaside sageduse muutmisega - elektrisõidukites "gaasi" andmine
Tööpõhimõte on sarnane harjavaba alalisvoolumootorile, selle erisusega, et mähistesse mineva astmelise alalisvoolu asemel on tegu vahelduvvooluga. Magnetväli ja seeläbi rootor liigub sujuvalt voolu sinusoidsel sagedusel.
Püsimagnetitega sünkroonmootoreid kasutatakse enamustes tänapäevastes elektrisõidukites.
Nissan Leaf, Audi e-Tron, Elektribussid, Elektrirongid jne...
Eelised:
kiirus ei sõltu koormusest - töötab väga ühtlaselt
pöördemomenti ja kiirust saab lihtsalt muuta- sageduse muutusega
efektiivne
oma suuruse kohta üpris võimas
lihtne generaatorina tööle panna- kasutada regenereerivat pidurdust
Puudused:
püsimagnet ei kannata vibratsiooni, kõrget temperatuuri ja ülekoormust.
aja jooksul magnetiseeritus võib väheneda
püsimagnetites kasutatav magnet (üldjuhul neodüüm) on haruldane muldmetall*- selle saadavus ja hind on pidevalt muutuses
ei kannata väga kõrgeid pöördeid - üle 20 000rpm võib rootori magnet puruneda
mootori stardiks/töötamiseks on vaja keerukat juhtimissüsteemi ning resolverit/sünkroandurit.
ülekuumenemise oht
*erinevalt nagu nimi ütleb, pole tegemist niivõrd haruldase metalliga. Probleem tuleb aga sellest, et seda leidub peaasjalikult Hiinas. Ja kuna Hiinal on monopol selle müümiseks, võivad tarneajad ja hinnad väga kõikuvad olla.
Asünkroonmootor:
Tegu on induktsioonmootoriga, kus staatori mähistesse tekitatakse pöörlev elektromagnet väli. Kuna magnetid tõmbuvad, hakkab rootor kaasa liikuma, et staatori magnetväljale järgi jõuda. Mida suurem on nurk/mahajäämus neil teineteisest, seda suurem magnetväli nende vahele tekib (m)- seda suurem pöördemoment mootoril on.
Rootor pöörleb mittesünkroonselt ehk asünkroonselt, millest ka mootori nimetus.
Staatorimähises loodava magnetvälja pöörlemiskiiruse ja rootori pöörlemiskiiruse erinevust iseloomustab libistus. Libistust on rootori suhtelist mahajäämust sünkroonkiirusega pöörelevast staatori magnetväljast.
Staatori magnetväli tekitatakse staatorimähisest läbiva vahelduvvoolu abil. Kui rootor pöörleks sama kiiresti kui staatori magnetväli, siis voolu rootoris ei indutseerita ning liikuma panevat jõudu ei teki.
Asünkroonmootor on enamlevinud elektrimootori tüüp tööstuslike mootorite puhul.
Asünkroonmootoreid kasutab Tesla oma autodes. Ning ka Toyota Rav 4 EV.
Mida suurem on pooluspaaride arv, seda väiksem on sünkroonkiirus, kuid suurem arendatav pöördemoment.
Eelised:
lihtne ehitus
kerge hooldada
võrdlemisi madal hind
töökindel
suure pöördemomendiga, eriti just madalatel kiirustel
rasketes oludes vastupidav
ei vaja püsimagneteid rootoris- EMJ (elektromotoorjõud tekib pöördmagnetvälja ja rootori libistuse kaudu)
Puudused:
suured voolu kõikumised
suure koormuse ja inertsimomendi (raske käivituse) korral venib käivitusprotsess pikaks, seetõttu kuumenevad mootori mähised käivitusprotsessis oluliselt ning sobiva kaitse puudumisel tekib oht mähise isolatsioonile.
Reluktantsmootor:
Reluktantsmootor (reluctance motor) on elektrimootori variant, kus on ühendatud nii püsimagnetitega sünkroonmootorite kui asünkroonmootorite omadusi.
Nende rootoris kasutatakse selgelt määratletud magnet pooluseid.
Käivitudes ja kohalt võttes töötavad nad kui asünkroonmootorid- hästi suure momendiga. Lisamomenti annab mootorile magnetite ja staatori mähiste elektromagnetvälja vahele tekkiv elektromotoorjõud.
Suurtematel kiirustel töötab selline mootor nagu sünkroonmootor. Hästi sujuvalt ja ühtlaselt. Voolu kõikumised on minimaalsed.
Selline mootor on ca 5% võimsam ning 5% effektiivsem kui teised mootori variandid.
Tesla, Toyota, Mitsubishi ja mitmed teised kasutavad sellist mootorit.
Miinusena aga võib välja tuua juhtimissüsteemi. Selline mootor ise ei käivitu ning vajab väga keerukat juhtimisprogrammi. Mootori pöördeid saab muuta faasisagedus muutmisega, kuid seda peab tegema väga täpselt, et mootorit hoida sünkroonse/asünkroonse piiri peal ning ei tekiks ülekoormusmomenti.
Lisaks on reluktantsmootoril väga keerukas rootor. Sinna lisatavad magnetid peavad olema väga täpselt oma koha peal, mis muudab valmistamise keerukaks ja kalliks. Kuna rootor koosneb erinevatest materjalidest, ei kannata ta ka väga suuri pöördeid (rootor võib tsentrifugaaljõudude tõttu puruneda)
Pildi allikas: https://bit.ly/3CeL1IZ
Pildi allikas: https://bit.ly/3wUyHLS
Kõrvalolevas videos osandatakse mitu mootorit. Kõik nad on esmapilgul sarnased, kuid pange tähele väikeseid, aga põnevaid erisusi!
Kordamisküsimused:
Nimeta kolm erinevat elektrisõidukitel kasutatavat elektrimootori tüüpi?
Millised on sünkroon ja asünkroonmootori eelised ja puudused?
Nimeta elektrimootori kolm põhiosa.
Mida tähendab faas? Kuidas töötab 3 faasiline mootor?
Millised on elektriajami eelised sisepõlemismootori ees?
Mis vahe on elektrimootoril, elektriajamil, elektrimasinal?