Pada 21 Juni, di Konferensi Sistem Penggerak Listrik SMM (ke-4) 2025 & Forum Industri Motor Penggerak - Forum Sistem Penggerak Listrik Otomotif, yang diselenggarakan bersama oleh SMM Information & Technology Co., Ltd., Hunan Hongwang New Material Technology Co., Ltd., Pemerintah Rakyat Distrik Louxing, dan Zona Pengembangan Ekonomi dan Teknologi Loudi tingkat nasional, Jia Yuqi, Wakil Dekan Institut Riset Pusat Inovasi Penggerak Listrik Zhejiang, berbagi wawasan tentang "Karakteristik Desain Motor Penggerak dalam Konteks Tegangan Tinggi dan Frekuensi Tinggi."
Latar Belakang dan Tantangan
1.1 Latar Belakang - Kebijakan/Industri
Rentang kecepatan motor penggerak kendaraan listrik (EV) sangat luas, dan mereka membutuhkan akselerasi dan perlambatan yang sering selama berkendara, membuat kondisi operasional jauh lebih kompleks daripada sistem kontrol kecepatan umum. Sistem penggerak listrik sangat penting dalam menentukan kinerja dinamis EV.
• Rencana Pengembangan EV 2025 Departemen Energi AS (DOE);
• Meningkatnya permintaan konsumen terhadap jarak tempuh dan kinerja;
• Praktik terbaik merek otomotif lokal dalam "menyalip di tikungan" dalam industri otomotif global;
• Pendekatan penting untuk mencapai "perlindungan lingkungan rendah karbon, puncak karbon, netralitas karbon, konservasi energi, dan pengurangan emisi";
Hal ini mengharuskan sistem penggerak listrik menjadi lebih ringan, lebih kompak, lebih efisien, dan lebih andal, dengan meningkatnya permintaan terhadap kepadatan daya.
1.1 Latar Belakang - Solusi/Komponen dan Kumparan Sistem Penggerak Listrik
Inverter SiC menawarkan frekuensi switching tinggi, kerugian rendah, dan tegangan kerja tinggi, yang berkontribusi pada peningkatan kecepatan dan kepadatan daya motor penggerak;
Kumparan kawat datar memiliki faktor pengisian slot tinggi, resistansi DC rendah, dan konduktivitas termal yang baik, meningkatkan efisiensi dan kepadatan daya motor dalam kondisi operasi kecepatan sedang hingga rendah;
1.1 Latar Belakang - Solusi Sistem Penggerak Listrik
Solusi utama untuk sistem penggerak listrik pada kendaraan listrik baru: inverter SiC + motor sinkron magnet permanen berkumparan kawat datar;
1.2 Kesulitan dan Tantangan Teknis - Tegangan Tinggi, Frekuensi Tinggi
Tegangan tinggi menyebabkan peningkatan kerugian dielektrik pada bahan isolasi dan risiko debit parsial yang lebih tinggi;
Frekuensi tinggi menghasilkan peningkatan kerugian AC pada kumparan kawat datar dan distribusi kerugian yang tidak merata dalam slot, yang dapat dengan mudah menyebabkan titik panas lokal;
Dalam kondisi tegangan tinggi dan frekuensi tinggi, distribusi tegangan antara lilitan yang tidak merata dalam kumparan diperburuk oleh parameter parasit frekuensi tinggi, menyebabkan kerusakan dan kegagalan isolasi;
1.2 Kesulitan dan Tantangan Teknis - Tindakan Penanggulangan
Pertimbangkan secara menyeluruh distribusi kerugian, panas, dan tegangan yang tidak merata selama tahap desain awal;
Gunakan pernis isolasi, bahan isolasi, dan kawat enamel yang tahan panas tinggi dan tahan korona tinggi;
Tindakan penanggulangan yang komprehensif harus diambil dari berbagai aspek, termasuk topologi motor baru, struktur kumparan baru, bahan baru, proses baru, dan sistem manajemen termal yang efisien;
Pertimbangan Utama dalam Desain Motor Penggerak dalam Kondisi Tegangan Tinggi
2 Pertimbangan Utama dalam Desain Motor Penggerak dalam Kondisi Tegangan Tinggi
2.1 Desain Sistem Isolasi - Bahan
Dalam rangsangan frekuensi tinggi dan dv/dt tinggi, isolasi kumparan akan mengalami efek ganda dari tegangan dan stres termal yang signifikan. Mengingat tuntutan akan kepadatan daya tinggi dan keandalan tinggi, margin keselamatan isolasi motor secara bertahap mendekati batas yang diizinkan dari parameter material. Oleh karena itu, perlu dilakukan analisis dan penilaian keselamatan isolasi lilitan-ke-lilitan pada motor selama tahap desain awal. Untuk memastikan margin keselamatan isolasi dan menghindari kerusakan dan kegagalan dini, langkah-langkah seperti meningkatkan ketebalan isolasi, menggunakan bahan isolasi dengan peringkat ketahanan suhu yang lebih tinggi, dan bahan isolasi tahan korona dapat diambil untuk memastikan keselamatan isolasi. Misalnya, kawat PEEK tahan korona yang dikembangkan oleh Furukawa Electric di Jepang dan digunakan dalam motor penggerak iMMD Honda dapat mencapai Tegangan Awal Pelepasan Parsial (Partial Discharge Inception Voltage/PDIV) yang lebih tinggi dan konduktivitas termal yang lebih baik.
2.1 Desain Sistem Isolasi - Pendinginan
Seiring dengan meningkatnya kepadatan daya motor, kepadatan rugi juga meningkat secara tak terelakkan. Ditambah dengan efek proksimitas dan efek kulit dalam kondisi frekuensi tinggi, hal ini dapat dengan mudah menyebabkan distribusi sumber panas yang tidak merata dalam slot motor, sehingga menyebabkan overheating lokal.
Umur bahan isolasi motor sangat terkait dengan suhu. Oleh karena itu, perlu diperhatikan rencana manajemen termal motor, dan pengembangan struktur pendinginan yang efisien, seperti pendinginan gulungan dalam slot dan pendinginan gulungan langsung, harus ditingkatkan.
2.2 Tegangan Pulse Overvoltage - Penyebab dan Model Perhitungan
Karena ketidaksesuaian impedansi karakteristik antara inverter, kabel transmisi, dan motor, sesuai dengan prinsip pantulan gelombang, gelombang pulsa PWM akan dipantulkan beberapa kali antara inverter dan gulungan motor. Superposisi tegangan pantulan dan tegangan datang akan menghasilkan tegangan osilasi pulsa pada ujung gulungan motor yang lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan bus, sehingga menghasilkan tegangan pulsa. Tegangan puncak adalah faktor yang paling berbahaya yang menyebabkan pelepasan parsial pada isolasi motor.
2.2 Tegangan Pulse Overvoltage - Metode Penekanan
Ketika frekuensi switching lebih rendah dari nilai ini, fenomena superposisi pulsa ganda tidak akan terjadi. Oleh karena itu, perlu dilakukan desain pencocokan impedansi untuk memastikan bahwa frekuensi switching lebih rendah dari frekuensi tersebut.
2.3 Peta Efisiensi Motor pada Berbagai Tingkat Tegangan
Dibandingkan distribusi efisiensi motor penggerak pada tegangan bus 400V, 600V, dan 800V. Seiring dengan meningkatnya tegangan bus, area wilayah efisiensi tinggi pada motor penggerak secara signifikan meluas. Selain itu, dengan meningkatnya kecepatan sudut, wilayah efisiensi tinggi menunjukkan kecenderungan yang jelas untuk bergeser ke wilayah kecepatan tinggi, yang sesuai dengan kebutuhan desain motor berkecepatan tinggi. Oleh karena itu, pengembangan sistem penggerak listrik tegangan tinggi untuk kendaraan energi baru tidak hanya memenuhi persyaratan pengisian cepat baterai tetapi juga membawa peluang baru untuk desain motor penggerak yang efisien dan berdensitas tinggi.
Pertimbangan Utama dalam Desain Motor Penggerak dalam Kondisi Frekuensi Tinggi
3.1 Kerugian Harmonik Arus - Penyebab dan Bahaya
Motor penggerak untuk kendaraan energi baru biasanya digerakkan oleh inverter sumber tegangan yang menggunakan teknologi Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM). Selama proses penyalaan dan pemadaman berkelanjutan setiap perangkat dalam siklus penyalaan, harmonik arus frekuensi tinggi dihasilkan. Sementara itu, waktu mati dan waktu penyalaan/pemadaman perangkat dapat menyebabkan distorsi pada bentuk gelombang tegangan dan arus output inverter, sehingga memperkenalkan harmonik frekuensi tinggi. Harmonik tegangan dan arus ini biasanya terletak di dekat frekuensi pembawa dan kelipatannya, meningkatkan kerugian dan mengurangi efisiensi.
3.1 Kerugian Harmonik Arus - Metode Penekanan
Seiring dengan meningkatnya frekuensi penyalaan, derajat sinusoidal dari bentuk gelombang arus meningkat, dan frekuensi subharmonik utama meningkat, tetapi amplitudo arus harmonik berkurang secara signifikan.
Oleh karena itu, metode penekanan untuk kerugian harmonik arus adalah meningkatkan derajat sinusoidal dari bentuk gelombang arus, mengurangi kandungan harmonik setiap orde, dan dengan demikian mengurangi kerugian harmonik arus. Langkah-langkah utama termasuk meningkatkan frekuensi penyalaan inverter, memiringkan slot/kutub, mengoptimalkan struktur kutub magnet, memilih bentuk belitan, dan memilih kombinasi slot-kutub, antara lain.
3.2 Kerugian AC Frekuensi Tinggi pada Belitan - Penyebab dan Bahaya
Ketika arus bolak-balik mengalir melalui konduktor atau ketika ditempatkan dalam medan magnet bolak-balik, efek eddy current, yaitu efek kulit dan efek kedekatan, diinduksi. Efek kulit menyebabkan arus cenderung menuju permukaan konduktor ketika arus bolak-balik mengalir melalui konduktor tersebut, sedangkan efek proksimitas menyebabkan arus dalam dua konduktor yang berdekatan cenderung menuju sisi-sisi karena pengaruh medan magnet masing-masing. Kedua efek tersebut mengurangi area konduktif aktual konduktor dan meningkatkan kerugian.
Semakin tinggi frekuensi operasi motor penggerak, semakin parah kerugian AC pada kumparan kawat datar. Selain itu, motor penggerak untuk kendaraan energi baru beroperasi dalam berbagai kondisi, dan pada beberapa titik operasi tertentu, proporsi kerugian AC dalam kumparan kawat datar sangat tinggi. Dampak negatifnya terutama dalam tiga aspek: penurunan efisiensi motor, yang tidak kondusif untuk meningkatkan kepadatan daya sistem penggerak listrik; peningkatan persyaratan pembuangan panas, yang memberikan tuntutan yang lebih tinggi pada struktur pendinginan motor dan manajemen termal; dan distribusi kerugian yang tidak merata dalam slot, yang menyebabkan titik panas lokal dan mengancam keamanan isolasi motor.
Oleh karena itu, perhatian yang cukup harus diberikan selama tahap pengembangan motor.
3.2 Kerugian AC Berfrekuensi Tinggi pada Kumparan - Metode Penekanan
Metode penekanan untuk kerugian AC pada kumparan kawat datar pada frekuensi tinggi terutama meliputi:
Meningkatkan ukuran bukaan slot stator (untuk mengurangi kerugian konduktor yang disebabkan oleh medan magnet angker);
Meningkatkan jarak antara konduktor dan bukaan slot stator (untuk mengurangi kerugian konduktor yang disebabkan oleh medan magnet bocor dalam slot di bawah medan magnet magnet permanen);
Mengurangi ukuran konduktor (untuk melemahkan efek efek kulit dan efek proksimitas);
Secara tepat meningkatkan ukuran jembatan isolasi magnetik;
Menukar konduktor antara slot dan lapisan (untuk mengurangi kerugian arus sirkulasi ketika jumlah cabang paralel lebih besar dari satu);
Menggunakan kawat Litz untuk kumparan (transposisi antar-untaian).
3.3 Efisiensi Motor pada Frekuensi Pengalihan yang Berbeda
Perbandingan dilakukan terhadap kerugian pada motor penggerak pada frekuensi pengalihan 10 kHz, 20 kHz, dan 50 kHz. Seiring dengan meningkatnya frekuensi pengalihan, kerugian pada setiap bagian motor menunjukkan tren penurunan. Namun, ketika frekuensi switching meningkat hingga nilai tertentu, kerugian motor tidak akan lagi berubah secara signifikan. Oleh karena itu, dalam rentang tertentu, frekuensi switching yang lebih tinggi bermanfaat untuk mengurangi kerugian motor secara keseluruhan, yang juga memfasilitasi desain motor berkecepatan tinggi.
Namun, ketika frekuensi switching meningkat, kerugian inverter akan meningkat secara proporsional. Akibatnya, pemilihan frekuensi switching memerlukan penyeimbangan antara kerugian motor dan inverter untuk mencapai kerugian total terendah dalam seluruh sistem penggerak listrik.
Ringkasan
4.1 Persyaratan
Persyaratan desain inti untuk motor penggerak dalam kondisi tegangan tinggi dan frekuensi tinggi:
Ø Isolasi yang andal: Pulsa PWM frekuensi tinggi dipantulkan beberapa kali antara inverter dan gulungan motor, menyebabkan superposisi tegangan pada ujung gulungan dan menimbulkan ancaman bagi keamanan isolasi gulungan;
Ø Efisiensi elektromagnetik: Operasi frekuensi tinggi memperburuk efek kulit dan kerugian harmonik, sehingga diperlukan pemodelan elektromagnetik yang tepat untuk mengoptimalkan topologi gulungan kawat tembaga datar, struktur bukaan slot, dan desain penghalang magnetik, menggunakan beberapa metode untuk secara komprehensif meningkatkan efisiensi konversi elektromagnetik;
Ø Pendinginan yang efektif: Kepadatan daya yang tinggi menyebabkan kerugian yang terkonsentrasi dan kepadatan energi termal yang meningkat. Teknologi seperti saluran pendingin cetak 3D dan pendingin air dalam slot dapat digabungkan untuk membangun sistem pendingin multikanal, memanfaatkan simulasi kopling medan fluida dan termal untuk mengoptimalkan jalur pendingin dan menjaga suhu komponen motor dalam rentang yang wajar.
4.2 Kontradiksi
• Meningkatkan tegangan pasokan secara signifikan memperluas zona efisiensi tinggi motor penggerak, tetapi tegangan pulsa dv/dt tinggi yang dihasilkan oleh SiC secara bersamaan meningkatkan tegangan isolasi pada gulungan motor, mengancam keamanan isolasi gulungan;
• Frekuensi operasi yang lebih tinggi memfasilitasi peningkatan kecepatan putar dan jumlah kutub, serta meningkatkan kepadatan daya motor penggerak, memenuhi tuntutan sistem untuk desain miniaturisasi dan ringan. Namun, hal ini juga menyebabkan peningkatan kerugian gulungan AC dan kerugian mekanik, dengan yang pertama memperburuk distribusi termal yang tidak merata dalam slot.
4.3 Keseimbangan
• Sebagai sistem multivariabel, yang sangat terkait, dan nonlinier, pemecahan satu masalah teknis dalam desain motor pasti akan memperkenalkan masalah lain. Desain motor adalah proses mencari keseimbangan di antara berbagai kontradiksi, yang memerlukan trade-off antara peningkatan kinerja, penekanan kerugian, struktur pendinginan, manajemen termal, dan keselamatan isolasi;
• Melampaui inersia pemikiran produk tunggal untuk mempertimbangkan masalah secara lebih makroskopis, mulai dari meningkatkan keseluruhan sistem penggerak listrik hingga meningkatkan efisiensi keseluruhan kendaraan dan kepadatan daya.
Selain itu, memperkenalkan gambaran umum, posisi, tujuan pembangunan, rencana strategis, robot humanoid, dan ekonomi rendah dari Pusat Inovasi Penggerak Listrik Zhejiang.
》Klik untuk melihat Laporan Khusus Konferensi Sistem Penggerak Listrik & Forum Industri Motor Penggerak SMM (4th) 2025
