Új villanymotorok mezőgazdasági járművek hajtására

A mezőgazdasági gépek villamosítása elkezdődött, így az első generációs megoldások megjelentek traktorokon, rakodógépeken, önjáró permetezőgépeken stb. A villanymotorok kialakítása, működése sokszínűséget mutat.

Az elektrotechnikában két áramforrást különböztetünk meg: az egyenáramot és a váltakozó áramot. A váltakozó áramot egyszerű gazdaságos szállításra, majd felhasználásra átalakítani (transzformátorokkal), de csak az egyenáramú villamos energiát lehet közvetlenül tárolni akkumulátorokban. Ebből az következne, hogy a járművekben kizárólag csak egyenárammal táplált motorokat kellene használni, de ez ma már nem így van.

Egyenáramú kommutátoros motorok

A 20. század fordulója idején járműhajtásra soros gerjesztésű egyenáramú motorokat használtak, mert ezek nagy indítónyomatékot szolgáltatnak, könnyű a fordulatszámot feszültségváltoztatással szabályozni. Az egyenáramú motoroknak nagy hátránya a forgórészen elhelyezett kommutátor alkalmazása, emellett ezek jelentősebb karbantartás-igényűek, és rosszabb a motorok hatásfoka, nagyobbak, nehezebbek, drágábbak, mint váltakozó áramú társaik. Ma a járműveken hagyományos kefés egyenáramú motorok általában csak az indítómotorok és a párhuzamos gerjesztésű ablaktörlőmotorok.

Egyenáramú, kefe nélküli motorok

Az egyenáramú táplálású kefe nélküli villanymotorokat is az egyenáramú motorokhoz sorolják (1. ábra), de ezek félvezető elektronikával (mikrokontroller) vezérelt váltakozó áramú indukciós motor elvén működnek.

Ezeket a motorokat sok alkalmazásban előnyben részesítik, mert hátrányuk kevés, ilyen például a hatásfok, a mikrokontroller költsége és hogy az összetett vezérlési algoritmusok körébe tartoznak. Az egyenáramú motorok nagy teljesítményt nyújtanak, ezért járműhajtásokra is előszeretettel alkalmazzák, akár 48 VDC alatti vagy 200–800 VDC feszültségű egyenáramú táplálással (2. ábra).

Váltakozó áramú aszinkronmotorok

Az indukciós váltakozó áramú aszinkronmotorok a legelterjedtebb villanymotorok. Az egyszerű kalickás forgórészű változat mellett a tekercselt és csúszógyűrűvel rendelkező, indítást szabályozható változatuk mindenütt megtalálható (3. ábra).

Ennek a motortípusnak hátránya, hogy fordulatszáma nem szabályozható, indításkor melegszik. A teljesítményelektronika megjelenésével és elterjedésével az aszinkronmotorok fordulatszabályozása a váltakozó áram frekvenciájának változtatásával megoldható. A személygépkocsi-technika az egyenáramból változtatható frekvenciájú váltakozó áramot előállító inverter alkalmazásával használja az aszinkronmotorokat például az Audi e-tronban (3. ábra/c). A fordulatszám-szabályozhatóság mellett ezek az aszinkronmotorok túlterhelhetők, és 85–97% közötti hatásfokkal rendelkeznek teljes terhelésnél. Hátrányuk viszont, hogy kis fordulatszámon alacsony a hatásfokuk (akár 70%-nál kisebb), a forgórész pedig melegedésre hajlamos.

Váltakozó áramú szinkronmotorok

A szinkron elnevezés arra utal, hogy a forgórész fordulatszáma megegyezik az állórészben forgó mágnesmezőével. A szinkronmotor forgórésze állandó (permanens) mágnessel kialakított pólusokkal vagy egyenárammal gerjesztett pólusokkal rendelkezik. Járműhajtásra széles körben alkalmazzák ezeket a villanymotorokat, amelyek fordulatszám-szabályozása frekvenciaváltós inverterrel valósítható meg (4. ábra).

A szinkronmotorok előnye a kimagaslóan jó hatásfok (több mint 94%), a magas teljesítménysűrűség, akár 1,5 kW (2 LE)/kg, az alacsony hőfejlődés, az egyenletes nyomatékleadás és a lényegében karbantartás-mentesség. Az állandó mágnesű szinkronmotor hátránya, hogy indítása nehézkes, magas fordulatszámon romlik a hatásfoka, komplikált a vezérlése, nagy teljesítményű vezérlőelektronikát igényel, az erős permanens mágnesek drágák a ritka földfém- (pl. neodímium, szamárium) ötvözők miatt.

Axiálfluxusú villanymotorok

Az axiálfluxusú váltakozó áramú indukciós motorokat az alakjukról lehet első látásra felismerni, mert nagy átmérővel rendelkező, lapos kialakításúak (5. ábra).

A fázistekercsek a belső állórészen helyezkednek el, míg a forgórészen kétoldalt, a koronglapon az állandó mágnesek kapnak helyet. A tekercsek által létrehozott lüktető mágneses mező (fluxus) a tengellyel párhuzamosan (axiálisan) helyezkedik el, innen származik az axiálfluxusú elnevezés. Ennek a motornak a működési elve a szinkronmotoréhoz áll közel. Az axiálfluxusú motor előnye a jó hatásfoka (97% a fordulatszám széles tartományában), a nagy nyomatéka, magas teljesítménysűrűsége, amely 8 kW (11 LE)/kg, bizonyos beépítésekhez (pl. kerékagymotorhoz) a kedvező alakja. Hátrányai a szinkronmotoréhoz hasonlóak. A mezőgazdasági gépeknél is igen jelentős mértékben el fognak terjedni az axiálfluxusú villanymotorok.

Szinkronreluktancia-villanymotorok

Az újszerű, de még ritkán alkalmazott villanymotort reluktanciamotornak nevezik, mert a működése a mágneses ellenállás (reluktancia) különbségén alapul (6. ábra). A reluktanciamotor állórészének tekercseibe három- vagy többfázisú áramot vezetünk, és a létrejövő forgó mágnesmező hatására a különlegesen kialakított forgórészben az egyik irányban jobb mágneses vezetőképesség alakul ki, ami a forgórészben forgatónyomatékot hoz létre. Ennek a nyomatéknak a hatására a forgórész forogni kezd, a mágneses tér forgási sebességével azonos fordulatszámmal (szinkronfordulattal). A forgórész fogszáma kisebb, mint az állórészé, a táplálás 1, 2, 3, 4, 6 fázisszámú is lehet.

A szinkronreluktancia-motor előnyei: jó a hatásfoka (97% a működési fordulatszám egész tartományában), nincs áram a forgórészben (tekercselés és permanens mágnes sincs), kevésbé melegszik, nagy az indítónyomatéka, olcsó, és az egyszerű szerkezet karbantartásmentes. A reluktanciamotor hátránya, hogy a nyomatéklüktetés-mentes üzem csak megfelelő konstrukcióval és korlátozott fordulatszám-tartományban biztosítható, így zajos lehet (a zajhatás a nyomatéklüktetés csökkentésével és a pólusszám növelésével csökkenthető); a motort tápláló elektronikát a mechanikai teljesítménynél lényegesen nagyobbra kell méretezni; az inverter irányítása bonyolult. A legújabb Toyota Prius és a Tesla Model 3 személygépkocsik hátsó kerekeit már szinkronreluktancia-motor hajtja.

Dr. Varga Vilmos
ny. okl. gépész- és villamosmérnök