Tema : 18 Motorul electric asincron 

18.1     Caracteristici generale a motorului electric asincron (motorul de inducție)

Motorul electric asincron este o mașină electrică de curent alternativ care nu are conexiuni între stator și rotor, transferul de energie dintre aceste circuite realizându-se prin inducție electromagnetică dar nu prin perii și colectoare, ca la majoritatea motoarelor electrice rotative. Acest motor electric asincron, este cunoscut și sub denumirea de motor de inducție, fiind unul dintre cele mai utilizate tipuri de motoare electrice datorită fiabilității, costului redus și întreținerii minime. Motoarele de inducție sunt eficiente și robuste, dar au o eficiență mai redusă comparativ cu motoarele sincrone. Rotorul motorului electric asincron are forma unui sistem de bare dispuse cilindric în comparație cu rotorul motorului electric sincron cu magneți permanenți (Figura 18.1).

Figura 18.1 Diferența constructivă dintre motoarele electric sincron cu magneți permanenți și motorului electric asincron (motorul de Inducție)

O altă caracteristică a motorului electric asincron o constituie faptul că viteza de rotație a rotorului este puțin diferită de pulsația câmpului magnetic învârtitor al statorului, de unde și denumirea de asincron.

18.2     Construcția și principiul de funcționare a motorului electric asincron (motorul de inducție)

Motorul asincron este utilizat mai rar în automobilele hibride și electrice datorită eficienței energetice mai scăzute, controlului mai dificil al vitezei și cuplului, dimensiunilor mai mari și performanței inferioare la turații variabile, comparativ cu motorul sincron cu magneți permanenți. Cu toate acestea, pentru a evita utilizarea magneților permanenți, care sunt costisitoare și au rezerve limitate, unii producători, precum Tesla (modelul Tesla S) și Audi (Audi e-tron figura 18.2), au ales să utilizeze motoare asincrone (motoare de inducție).

Figura 18.2 Prezentarea generală a motorului electric asincron de la automobilul Audi E-tron

Statorul este la fel ca și cea a motorului sincron trifazat. Înfășurările sârmei de cupru din stator formează cele trei înfășurări de cupru (U, V, W), care sunt la o distanță de 120° (Figura 18.3), acestea generează practic câmpul magnetic. Dacă o tensiune trifazată este conectată la aceste bobine, în stator se creează un câmp magnetic rotativ.

Figura 18.3 Structura statorului motorului electric asincron

Rotorul (armatura) este confecționat din bare/tije, care sunt scurtcircuitate pe capete cu câte un inel (rotor în scurtcircuit) (Figura 18.4). Aceste inele de scurtcircuit și tije sunt confecționate dintr-un material conductor, cum ar fi cuprul sau aluminiul, împreună formează mai multe bobine, în care se transferă energia curenților mari din stator. Între tije există un pachet de lamele, pentru a conduce mai bine câmpul magnetic.

Figura 18.4 Structura rotorului motorului electric asincron

Principiul de funcționare a motorului electric asincron

Curentul trifazat este alimentat la stator de la unitatea electronică de putere. Curentul din înfășurările de cupru generează un flux magnetic rotativ în stator (câmp magnetic rotativ), care trece apoi prin rotor. Când rotorul se află în câmpul rotativ al statorului, se creează o tensiune de inducție în tijele rotorului. Deoarece tijele rotorului sunt scurtcircuitate între ele cu inele scurtcircuitate, un curent curge prin ele. Acest curent face ca rotorul să genereze un câmp magnetic, creând un cuplu de rotație (Figura 18.5), valoarea curentului prin rotor determină practic forța (cuplul) motorului.

Viteza de rotație a rotorului și viteza de rotație a câmpului statorului nu pot fi egale, deoarece atunci nu ar circula curent prin rotor și nu ar fi generat niciun cuplu. Dacă diferența dintre viteza câmpului statorului și a rotorului crește, curentul prin rotor crește și, prin urmare, și cuplul motorului.

Pentru a permite motorului electric să genereze un curent de încărcare în timpul frânării automobilului, unitatea electronică de putere permite rotorului să ruleze mai repede decât câmpul magnetic al statorului (alunecare negativă). Acest lucru face ca o tensiune alternativă să fie indusă în stator. Unitatea electronică de putere utilizează această tensiune pentru a genera curentul de încărcare pentru bateria de înaltă tensiune.

Pentru menținerea performanței și fiabilității motorului electric el necesită a fi răcit. Motoarele electrice de la automobilul Audi E-tron sunt răcite de un circuit de răcire la temperatură joasă. Fluxul de lichid de răcire curge atât prin stator, cât și prin rotor (Figura 18.6).

18.3     Operații de diagnosticare și mentenanță a motorului electric asincron

Motoarele electrice asincrone pot întâmpina diverse defecțiuni care pot duce la nefuncționarea lor. Iată câteva dintre cele mai comune defecțiuni:

⁻       Defecțiuni ale înfășurărilor statorice:

Scurtcircuite între spire: Pot duce la încălzire excesivă și arderea înfășurărilor.

Izolație deteriorată: Poate provoca scurtcircuite și pierderi de eficiență.

Modul de verificare se face identic ca la statorul motorului electric cu magneți permanenți.

⁻       Defecțiuni ale rotorului:

Tije de rotor rupte: Conduce la pierderi de cuplu și eficiență redusă.

⁻       Defecțiuni ale rulmenților:

Uzură excesivă: Poate provoca zgomot, vibrații și, în cele din urmă, blocarea rotorului.

Lipsa lubrifierii: Conduce la frecare și supraîncălzire.

⁻       Probleme termice:

Ventilație insuficientă: Poate provoca supraîncălzirea motorului.

Încălzire excesivă: Duce la deteriorarea izolației și scăderea duratei de viață a motorului.

Modul de verificare se face doar prin dezasamblarea motorului electric.

⁻       Probleme electrice:

Conexiuni slabe: Pot provoca scântei și arderea componentelor.

Defecțiuni ale unității electronice de putere: Pot afecta alimentarea și controlul motorului.

Senzori defecte: Pot duce la funcționare incorectă și pierderi de eficiență.

Aceste defecte pot fi identificate foarte ușor prin diagnosticarea computerizată.

Cele mai importante lucrări de mentenanță a motorului electric asincron sunt legate de circuitul de răcire a motorului, deoarece, menținerea unui sistem de răcire eficient previne supraîncălzirea motorului, care poate duce la deteriorarea izolației înfășurărilor și la defecțiuni majore.

Pentru a menține motorul electric asincron într-o stare bună de funcționare, se execută următoarele operații de mentenanță:

1. Monitorizarea temperaturii: Asigurarea că motorul funcționează la temperatura optimă pentru a preveni supraîncălzirea și deteriorarea componentelor.

La motorul electric de tracțiune al automobilului Audi E-tron se utilizează doi senzori de temperatură (Figura 18.7): senzorul pentru temperatura curentului trifazat frontal, care monitorizează temperatura lichidului de răcire în fluxul de intrare, și senzorul de temperatură al statorului, integrat permanent în înfășurarea statorului pentru o măsurare precisă. Dacă primul senzor pentru temperatura statorului eșuează, al doilea senzor preia funcția de monitorizare a temperaturii. Numai dacă ambii senzori nu mai funcționează, motorul electric de tracțiune trebuie înlocuit. La diagnosticarea computerizată, doar senzorul care măsoară temperatura statorului este afișat în valorile măsurate.

Controlul regulat al nivelului lichidului de răcire și identificarea eventualelor scurgeri sunt esențiale pentru a preveni pierderile de lichid și deteriorarea sistemului de răcire. La automobilul Audi E-tron, pentru a preveni pătrunderea lichidului de răcire în statorul motorului electric de tracțiune, arborele rotorului, care se rotește, este etanșat față de carcasa staționară prin garnituri mecanice. Totuși, în cazul în care apar scurgeri de lichid, acestea se vor depozita într-un rezervor amplasat în zona motorului (Figura 18.8). Rezervorul trebuie golit la fiecare 30.000 km sau 2 ani în timpul întreținerii de service.

2. Înlocuirea lichidului de răcire: Schimbarea periodică a lichidului de răcire pentru a menține eficiența sistemului de răcire și a preveni depunerile de reziduuri care pot afecta performanța motorului. La automobilele VAG, în sistemul de răcire se utilizează lichidul G12 evo, la automobilele VAG (Volkswagen, Audi, SEAT, Škoda), este de obicei recomandat să fie înlocuit la fiecare 5 ani sau 150.000 km, în funcție de ce survine primul. Este important să verifici manualul vehiculului tău pentru specificațiile exacte, deoarece intervalele de schimb pot varia în funcție de model și de condițiile de utilizare.

Întrebări de autoevaluare

1.    Care este principala diferență între motoarele electrice asincrone și cele sincrone cu magneți permanenți în ceea ce privește structura rotorului?

2.    De ce motoarele electrice asincrone sunt cunoscute și sub denumirea de motoare de inducție?

3.    Ce avantaj principal au motoarele de inducție față de alte tipuri de motoare electrice?

4.    Ce componente principale are un motor electric asincron utilizat la automobilele electrice?

5.    Care este structura statorului unui motor electric asincron la automobilele electrice?

6.    Care este structura rotorului unui motor electric asincron la automobilele electrice?

7.    Cum funcționează motorul electric asincron la automobilele electrice în regimurile de propulsie?

8.    Cum funcționează motorul electric asincron la automobilele electrice în regimurile de frânare?

9.    Care sunt principalele defecțiuni ale înfășurărilor statorice într-un motor electric asincron și ce efecte pot avea acestea asupra motorului?

10. Ce tipuri de defecțiuni pot apărea la rotorul unui motor electric asincron și cum afectează acestea performanța motorului?

11. Cum pot defecțiunile rulmenților unui motor electric asincron influența funcționarea acestuia și ce măsuri de prevenire sunt recomandate?

12. Care sunt cele mai importante aspecte ale mentenanței unui motor electric asincron și de ce este crucială monitorizarea temperaturii?