Comparative analysis of the characteristics of an asynchronous and synchronous motor with electromagnetic excitation in the drive of off road truck
Authors: Прахт В.А. , Дмитриевский В.А. , Казакбаев В.М. , Валеев Э.А. , Парамонов А.C. , Анучин А.С. 
Published: September 2024

Двигатели с редкоземельными магнитами являются наиболее компактными и энергоэффективными в большинстве приложений. Однако их применение в качестве тяговых двигателей транспортных средств повышенной проходимости, таких, например, как карьерные самосвалы, затруднено не только из-за высокой стоимости магнитов, но и по причине трудности обеспечения широкого диапазона регулирования скорости при постоянстве мощности. По этой причине наиболее популярным типом двигателя для гибридных и полностью электрических карьерных самосвалов остаётся асинхронный двигатель. В то же время использование асинхронного двигателя ведет к сниженной энергоэффективности, повышенному току и высоким пульсациям температуры силовых ключей полупроводникового инвертора при стоянке под уклоном на электрическом тормозе. В данной статье представлено сравнение характеристик асинхронного двигателя и синхронного двигателя с обмоткой возбуждения на роторе в приводе карьерного самосвала. Сравниваемые двигатели имеют одинаковый внешний диаметр статора, а их геометрия оптимизирована с использованием метода Нелдера-Мида. Показано, что синхронный двигатель с обмоткой возбуждения имеет значительные преимущества, по сравнению с асинхронным двигателем. Преимуществами синхронного двигателя с обмоткой возбуждения являются снижение потерь, длины, массы и стоимости активных материалов. Применение синхронного двигателя с обмоткой возбуждения позволяет снизить стоимость силовых модулей инвертора в 1,16 раз также увеличить коэффициент использования инвертора с 0,219 до 0,316. Надежность и ресурс работы инвертора в случае использования синхронного двигателя с обмоткой возбуждения также увеличивается за счет отсутствия больших пульсаций температуры в силовых модулях в режиме электрического тормоза, часто применяемом в рассматриваемом приложении.

Rare earth magnet motors are the most compact and energy efficient in most applications. However, their use as traction motors of off-road vehicles, such as mining dump trucks, is difficult not only because of the high cost of magnets, but also because of the difficulty of providing a wide range of speed control at constant power. For this reason, the asynchronous motor remains the most popular engine type for hybrid and all-electric mining dump trucks. At the same time, the use of an asynchronous motor leads to reduced energy efficiency, increased current and high temperature fluctuations of the power switches of a solid-state automatic voltage inverter when parked at an incline on an electric brake. This article presents a comparison of the characteristics of an asynchronous motor and a synchronous motor with an excitation winding on the rotor in the drive of a dump truck. The compared engines have the same external diameter of the stator, and their geometry is optimized using the Nelder-Meade method. It is shown that a synchronous motor with an excitation winding has significant advantages over an asynchronous motor. The advantages of a synchronous motor with an excitation winding are the reduction of losses, length, mass and cost of active materials. The use of a synchronous motor with an excitation winding makes it possible to reduce the cost of the inverter power modules by 1.16 times and also increase the utilization factor of the inverter from 0.219 to 0.316. The reliability and service life of the inverter in the case of using a synchronous motor with an excitation winding is also increased due to the absence of large temperature fluctuations in the power modules in the electric brake mode, often used in the application under consideration.