Motor de tracțiune: definiție, utilizări și tipuri în vehicule electrice
A se vedea și: Vehicul electric și Motor electric
Motorul de tracțiune se referă la un tip de motor electric. Un motor de tracțiune este utilizat pentru a crea un cuplu de rotație pe o mașină. De obicei, acesta este transformat într-o mișcare în linie dreaptă.
Motoarele de tracțiune sunt utilizate la vehiculele feroviare acționate electric, cum ar fi unitățile multiple electrice și locomotivele electrice. De asemenea, acestea sunt utilizate la vehicule electrice, cum ar fi caruciorii de lapte, lifturile și transportoarele electrice. Vehicule cu sisteme de transmisie electrică, cum ar fi locomotivele diesel-electrice, vehiculele electrice hibride și vehiculele electrice alimentate cu baterii.
Definiție clarificată
Motorul de tracțiune este motorul electric proiectat pentru a propulsa un vehicul sau o sarcină mobilă, transformând energia electrică în cuplu de rotație aplicat roților, arborelui de tracțiune sau unui sistem de transmisie. Spre deosebire de motoarele industriale care rulează continuu la sarcină constantă, motoarele de tracțiune sunt optimizate pentru variații rapide de turație și cuplu (pornire, accelerație, frânare regenerativă).
Principiul de funcționare
- Motorul primește energie electrică (direct din rețea, din baterii sau prin convertor/invertor).
- Controlerul (inverterul) transformă semnalul și reglează curentul/frecvența pentru a obține cuplul și viteza dorite.
- Cuplul de rotație este transmis la roți sau la un mecanism de transmisie (cutie de viteze, reductor, axă). În multe sisteme moderne, energia cinetică poate fi recuperată prin frânare regenerativă și returnată la baterie.
Tipuri comune de motoare de tracțiune
- Motor DC cu perii – tradițional, simplu de controlat, dar necesită întreținere din cauza perilor; folosit rar în aplicații moderne de tracțiune.
- Motor DC fără perii (BLDC) – eficiență bună, control electronic, utilizat în vehicule ușoare, biciclete electrice și aplicații compacte.
- Motor asincron (inducție) – bine cunoscut în aplicații automobilistice (ex.: Tesla folosește motoare de inducție în unele modele), robust, fără magneți permanenți.
- Motor sincron cu magneți permanenți (PMSM) – eficiență energetică foarte bună și densitate de putere ridicată; folosit pe scară largă în vehicule electrice moderne.
- Motor cu reluctanță comutată și motor reluctanță sincron – câștigă teren datorită costurilor mai mici cu magneții și performanțelor bune la anumite regimuri.
- Motor în flux axial – design compact și densitate mare de putere, folosit în aplicații avansate și motoare de înfiletat la roată (in-wheel).
- Motor cu comutare în reluctanță (SRM) – simplu constructiv, toleranță la temperaturi ridicate, dar control mai complex și vibrații mai mari.
Caracteristici importante
- Cuplu și curba cuplu-viteză: Motoarele de tracțiune oferă un cuplu mare la pornire și o gamă largă de turații utile pentru accelerație și deplasare la viteză constantă.
- Eficiență: Influențată de tipul de motor, controler și regim de lucru; PMSM și motoarele optimizate pentru tracțiune tind să aibă eficiențe ridicate.
- Putere specifică (densitate de putere): kW/kg, importantă pentru masa totală a vehiculului.
- Sistemul de control: Invertorul și electronica de putere determină comportamentul dinamic, regimul de frânare regenerativă și eficiența globală.
- Gestionarea termică: Răcire prin aer sau lichid pentru a păstra performanțele la sarcini mari și a asigura durabilitatea.
Aplicații tipice
- Vehicule feroviare electrice: unități multiple, locomotive electrice – motoare mari, robuste, pot oferi puteri de ordinul megawaților.
- Automobile electrice și hibride: motoare între zeci și sute de kW, integrate în punte sau ca parte a e-axle.
- Lifturi (lifturile), transportoare și stivuitoare – tracțiune precisă la viteze reduse și capacitate mare de cuplu.
- Vehicule industriale și utilitare (carucioare, vehicule de depozitare, mașini de teren electrice).
- Sisteme speciale: vehicule autonome, tramvaie, metrou, feriboturi electrice și alte aplicații mari.
Avantaje și provocări
- Avantaje: eficiență energetică ridicată, control precis al cuplului, recuperare de energie prin frânare regenerativă, emisii locale zero (pentru vehicule pur electrice), întreținere redusă comparativ cu motoarele termice).
- Provocări: costuri și aprovizionare cu materiale (magneți de pământuri rare), necesitatea unui controler electronic avansat, gestionarea termică, compatibilitatea EMI/EMC și cerințele pentru durabilitate în condiții extreme.
Tendințe și inovații
- Creșterea utilizării materialelor și topologiilor fără magneți rare (ex.: motoare cu reluctanță, SRM).
- Electronica de putere bazată pe materiale wide-bandgap (SiC, GaN) pentru invertoare mai eficiente și mai compacte.
- Integrarea motoarelor cu transmisia (e-axle) și soluții in-wheel pentru îmbunătățirea spațiului și manevrabilității.
- Designuri cu densitate de putere ridicată și răcire îmbunătățită (răcire directă a înfășurărilor, sisteme de răcire avansate).
- Control digital avansat și algoritmi de control sensorless pentru reducerea costurilor și creșterea fiabilității.
Întreținere și fiabilitate
- Mentenanța este în general redusă comparativ cu motoarele cu ardere internă, dar componentele electronice (invertoare) și sistemele de răcire necesită atenție.
- Verificări periodice: starea rulmenților, izolația înfășurărilor, conexiuni electrice, sistemul de răcire și software-ul de control.
- Proiectarea pentru fiabilitate include redundanță la nivel de control, protecții termice și filtre EMC adecvate.
Concluzie
Motorul de tracțiune este componenta centrală a oricărui sistem de propulsie electrică, adaptat pentru a oferi cuplu mare la pornire, variații rapide de turație și posibilitatea de recuperare a energiei. Alegerea tipului de motor și a sistemului de control depinde de aplicație, costuri, cerințe de eficiență și constrângeri de spațiu/masă. Pe măsură ce tehnologia avansează, ne putem aștepta la motoare de tracțiune tot mai eficiente, compacte și integrate în arhitecturi electrice inovatoare.
Aplicații în domeniul transporturilor
Calea ferată
Căile ferate au folosit pentru prima dată motoare de curent continuu. Aceste motoare funcționau de obicei la aproximativ 600 de volți. Semiconductori de mare putere au fost dezvoltați pentru a controla comutarea motoarelor de curent alternativ. Aceștia au făcut din motoarele de inducție de curent alternativ o alegere mai bună. Un motor de inducție nu necesită contacte în interiorul motorului. Aceste motoare de curent alternativ sunt mai simple și mai fiabile decât vechile motoare de curent continuu. Motoarele de inducție de curent alternativ cunoscute sub numele de motoare de tracțiune asincrone.
Înainte de jumătatea secolului al XX-lea, un singur motor de mari dimensiuni era adesea utilizat pentru a acționa mai multe roți prin intermediul unor biele de legătură. Acesta era același mod în care locomotivele cu aburi își roteau roțile motoare. Acum, practica normală este de a folosi un singur motor de tracțiune pentru a acționa fiecare axă prin intermediul unei transmisii cu angrenaje.
De obicei, motorul de tracțiune este montat între cadrul roții și axa motoare. Acesta se numește "motor de tracțiune suspendat pe nas". Problema acestei montări este că o parte din greutatea motorului se află pe osie. Acest lucru face ca șina și cadrul să se uzeze mai repede. Locomotivele electrice "Bi-Polar" construite de General Electric pentru Milwaukee Road aveau motoare cu acționare directă. Arborele rotativ al motorului era, de asemenea, axa pentru roți.
Motorul de curent continuu este alcătuit din două părți: armătura rotativă și înfășurările fixe ale câmpului. Înfășurările de câmp, denumite și stator, înconjoară armătura. Înfășurările de câmp sunt alcătuite din bobine de sârmă înfășurate strâns în interiorul carcasei motorului. Armătura, denumită și rotor, este un alt set de bobine de sârmă înfășurate în jurul arborelui central. Armătura este conectată la înfășurările de câmp prin intermediul periilor. Periile sunt contacte cu arc care apasă pe comutator. Comutatorul trimite curentul electric într-un model circular către înfășurările armăturii. Un motor cu înfășurare în serie are armătura și înfășurările de câmp conectate în serie. Un motor de curent continuu înfășurat în serie are o rezistență electrică scăzută. Atunci când se aplică tensiune la motor, se creează un câmp magnetic puternic în interiorul motorului. Acest lucru produce un cuplu mare, deci este bun pentru pornirea unui tren. Dacă se trimite la motor mai mult curent decât este necesar, ar exista un cuplu prea mare și roțile s-ar învârti. Dacă se trimite prea mult curent la motor, acesta ar putea fi deteriorat. Rezistențele sunt utilizate pentru a limita curentul la pornirea motorului.
Pe măsură ce motorul de curent continuu începe să se rotească, câmpurile magnetice din interior încep să se unească. Acestea creează o tensiune internă. Această forță electromagnetică (EMF) acționează împotriva tensiunii trimise către motor. EMF controlează fluxul de curent în motor. Pe măsură ce motorul accelerează, EMF scade. Mai puțin curent curge în motor și acesta produce un cuplu mai mic. Motorul va înceta să își mărească viteza atunci când cuplul se potrivește (este același cu) rezistența trenului. Pentru a accelera trenul, trebuie trimisă mai multă tensiune la motor. Una sau mai multe rezistențe sunt îndepărtate pentru a crește tensiunea. Acest lucru va crește curentul. Cuplul va crește, la fel și viteza trenului. Atunci când nu mai există rezistențe în circuit, întreaga tensiune de linie este aplicată direct la motor.
La un tren electric, mecanicul de locomotivă trebuia inițial să controleze viteza prin modificarea manuală a rezistenței. Până în 1914, a fost utilizată accelerarea automată. Aceasta se realiza printr-un releu de accelerare în circuitul motorului. Acesta era adesea numit releu de crestătură. Releul urmărea căderea curentului și controla rezistența. Tot ce trebuia să facă șoferul era să selecteze viteza mică, medie sau maximă. Aceste viteze se numesc șunt, serie și paralel, după modul în care erau cablate motoarele.
Vehicule rutiere
A se vedea și: Vehicul electric hibrid și Vehicul electric
În mod tradițional, vehiculele rutiere (autoturisme, autobuze și camioane) au folosit motoare diesel sau pe benzină cu transmisie. În a doua parte a secolului al XX-lea, au început să fie dezvoltate vehicule cu sisteme de transmisie electrică. Aceste vehicule au o sursă de energie electrică provenită de la baterii sau pile de combustie. De asemenea, acestea pot fi alimentate de un motor cu combustie internă.
Un avantaj al utilizării motoarelor electrice este că unele tipuri pot genera energie. Acestea acționează ca un dinam în timpul frânării. Acest lucru ajută la îmbunătățirea eficienței vehiculului.
Răcire
Din cauza nivelurilor ridicate de putere utilizate de motoarele de tracțiune, acestea generează multă căldură. De obicei, acestea necesită răcire, adesea cu aer forțat.
Întrebări și răspunsuri
Î: Ce este un motor de tracțiune?
R: Un motor de tracțiune este un tip de motor electric utilizat pentru a realiza cuplul de rotație pe o mașină și a-l converti în mișcare în linie dreaptă.
Î: În ce tipuri de vehicule feroviare cu propulsie electrică se utilizează motoare de tracțiune?
R: Motoarele de tracțiune sunt utilizate în unitățile electrice multiple și în locomotivele electrice.
Î: În afară de vehiculele feroviare, unde mai sunt utilizate motoarele de tracțiune?
R: Motoarele de tracțiune sunt, de asemenea, utilizate în vehicule electrice, cum ar fi caruselele de lapte, lifturile și transportoarele.
Î: Ce tipuri de vehicule utilizează sisteme de transmisie electrică și, prin urmare, folosesc și motoare de tracțiune?
R: Vehiculele cu sisteme de transmisie electrică, cum ar fi locomotivele diesel-electrice, vehiculele electrice hibride și vehiculele electrice alimentate cu baterii utilizează motoare de tracțiune.
Î: Care este scopul unui motor de tracțiune?
R: Scopul unui motor de tracțiune este de a genera un cuplu de rotație pe o mașină și de a-l converti în mișcare în linie dreaptă.
Î: Sunt vehiculele electrice singurul tip de vehicule care utilizează motoare de tracțiune?
R: Nu, locomotivele diesel-electrice și vehiculele electrice hibride utilizează, de asemenea, motoare de tracțiune în sistemele lor de transmisie electrică.
Î: Puteți da câteva exemple de vehicule electrice care utilizează motoare de tracțiune?
R: Caroseriile electrice pentru lapte, precum și vehiculele electrice alimentate cu baterii, utilizează motoare de tracțiune.
