Skip to main content

Источник: Trаshbох

Атмосферные двигатели внутреннего сгорания – это классика. Но есть агрегаты с турбонаддувом, непосредственным, непрямым и непрямым впрыском. Бензин и дизель — еще одно масштабное деление. Такую классификацию можно разрабатывать очень долго, но сейчас речь совсем не об этом. Дело в том, что в электромобилях также используются самые разнообразные двигатели, о которых знают далеко не все. Причина его возникновения очень проста – идеального агрегата еще не придумали. Каждый вариант имеет свои сильные и слабые стороны, на которые ориентируются производители. Только они решают, какой из них выбрать, и развивают его в меру инженерных возможностей.

Общее устройство электротранспорта

Современные электромобили используют различные типы двигателей переменного тока. Однако, прежде чем перейти к их отличиям, важно понять общую компоновку оборудования — в качестве примера можно привести BMW i3. Через розетку (1) электромобиль заряжается переменным током. Поскольку батарея (6) запасает энергию в виде постоянного напряжения, ток выпрямляется (2) и поступает в нее только после этого. Однако тяговый электродвигатель (3) питается переменным током, поэтому между ним и батареями имеется инвертор, а также система управления (4). В зависимости от модели используется и вспомогательное оборудование – в данном случае: электрический компрессор системы охлаждения (5) и аккумуляторная система обогрева (7). Все это вместе называется электрической двигательной установкой.

Электродвигатели бывают разные.  Что ставят в электромобили

Классический асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель не новый. Его изобрели практически одновременно два независимых исследователя: Никола Тесла и Галилео Феррари. По-видимому, первым в реальном плане был итальянец, изобретший его в 1885 году. Но в юридическом смысле Тесла вышел победителем из этой негласной гонки — он запатентовал изобретение в 1888 году. Такое свершение оказалось одним из самых знаменательные события своего времени — это влияет на жизнь каждого из нас до сих пор. Без асинхронных электродвигателей вообще очень сложно представить повседневную жизнь. Они используются во многих бытовых приборах, а также активно используются в промышленности.

Все электродвигатели состоят из двух основных частей. Статический называется статором, вращающийся — ротором. В случае асинхронного двигателя статор представляет собой магнитопровод из листов электротехнической стали, с пазами, в которых уложены медные обмотки. Они питаются от трехфазного переменного тока, который преобразуется из постоянного тока, хранящегося в аккумуляторе. В общем случае ротор может быть короткозамкнутым или фазным. В любом случае вращающееся магнитное поле, создаваемое в статоре, индуцирует в роторе электродвижущую силу и, как следствие, другое магнитное поле.

Магнитное поле в роторе отстает от магнитного поля в статоре. Между ними создается сила, вращающая подвижную часть электродвигателя. Она называется силой Лоренца. Движение ротора передается на систему уменьшения усилия (по аналогии с коробкой передач в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания) и приходится на колеса электромобиля.

Этот тип электродвигателя называется асинхронным как раз из-за разницы в скорости магнитных полей, образующихся на статоре и роторе. Когда водитель нажимает на педаль акселератора, магнитное поле ротора отстает от статора. Другими словами, магнитный крот, вращающийся на статоре, тянет за собой ротор, в котором индуцируется магнитное поле. Когда транспортное средство замедляется, двигатель действует как генератор — в этом случае вращающееся магнитное поле ротора догоняет такую ​​же силу в статоре. Эта разница между частотой вращения магнитного поля и ротора называется скольжением. Благодаря ей асинхронный двигатель получил свое название.

Электродвигатели бывают разные.  Что ставят в электромобили

Типичный КПД трехфазного асинхронного двигателя, используемого в автомобильной промышленности, составляет до 90%. Благодаря максимальной прочности, предельной простоте, невероятной долговечности и неприхотливости материалов в промышленности используются только асинхронные двигатели. Асинхронные двигатели имеют относительно низкий пусковой момент. Однако из-за простоты запуска и регулирования такие силовые установки часто используются для привода передних колес полноприводных электромобилей.

⊗ Модели:

Мерседес-Бенц EQC; внедорожник Audi e-Tron; многие модели VW Group (на переднюю ось); Tesla Model S, 3, X и Y (на передней оси).

⊕ Плюсы:

относительно приличный КПД; низкая стоимость производства; нет необходимости в редкоземельных материалах.

⊖ Минусы:

высокая потребность в охлаждении; низкая мощность на размер; отстает от других электродвигателей по КПД.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Принципиальная разница между асинхронными и синхронными двигателями заключается в том, что, как следует из названия, магнитные поля в синхронном двигателе всегда вращаются с одной и той же частотой. Синхронные двигатели бывают с разными роторами. В случае двигателя с постоянными магнитами именно они создают магнитное поле в роторе. В синхронных электродвигателях с постоянными магнитами имеется собственное вращающееся магнитное поле, которое создается этими самыми магнитами (они находятся в роторе). Собственно, отсюда и название этого типа силовых агрегатов. Вращающиеся магнитные поля ротора и статора в таких электродвигателях синхронизированы и пресловутого скольжения, которое присуще асинхронным агрегатам, здесь нет.

Постоянные магниты в роторе являются ключевым элементом, позволяющим уменьшить габариты электродвигателя по мощности. Это значительно повышает КПД всей силовой установки в целом. Высокая мощность при минимальных габаритах позволяет использовать синхронные электродвигатели в гибридных транспортных средствах, которые крайне ограничены в свободном пространстве из-за применения двигателей внутреннего сгорания, коробок передач и других сопутствующих компонентов. Кстати, в этом случае в трансмиссию обычно устанавливается дополнительный силовой агрегат.

Электродвигатели бывают разные.  Что ставят в электромобили

Однако любой синхронный двигатель имеет особенности, вытекающие из принципа действия. Для запуска такого двигателя необходимо подать на ротор переменный ток с возрастающей частотой, от 1 Гц до номинального значения (частотный пуск). Это требует дополнительного оборудования, так как с развитием силовой полупроводниковой техники с этим проблем нет. Также двигатель с постоянными магнитами сложнее регулировать, так как уменьшить или увеличить поле от постоянных магнитов невозможно.

Постоянные магниты для синхронных двигателей изготавливаются из редкоземельных материалов, которые преимущественно контролируются Китаем. У мирового сообщества есть вопросы об этических аспектах этого процесса, поэтому многие ведущие производители автомобилей стараются свести к минимуму использование таких компонентов в своих автомобилях. Однако синхронные двигатели с постоянными магнитами не менее эффективны. По этому показателю он достигает 94-95%. Если электромобиль предназначен для использования с одной силовой установкой, обычно выбирают синхронный вариант.

⊗ Модели:

Хендай Ионик 5; Киа ЭВ6; Порше Тайкан; Ягуар i-пейс; спортивный автомобиль Audi e-tron GT; многие модели VW Group (на задней оси); Tesla Model S, 3, X и Y (на задней оси).

⊕ Плюсы:

максимальная эффективность; низкая потребность в охлаждении; высокая мощность для размера.

⊖ Минусы:

высокая стоимость производства; теоретическая опасность размагничивания.

Синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

Синхронные двигатели с постоянными магнитами обеспечивают высочайший КПД. Однако важно понимать, что для их производства необходимы редкоземельные материалы. С одной стороны, это значительно увеличивает конечную стоимость самой силовой установки. С другой стороны, есть нежелательные этические вопросы, которые неприемлемы для многих ведущих производителей электромобилей. Чтобы отказаться от редкоземельных материалов, некоторые поставщики, в том числе BMW, Renault и Smart, используют синхронные двигатели с возбуждением от возбуждения.

Электродвигатели бывают разные.  Что ставят в электромобили

Ротор такой синхронной машины содержит не постоянные магниты, а стальной магнитопровод и медные обмотки. К ним прикладывается постоянное напряжение, в результате чего возникает магнитное поле. Для подачи напряжения используются щетки, скользящие по кольцам. КПД таких двигателей достигает 93%. Функция, связанная с запуском частоты, остается. Однако, по сравнению с двигателем с постоянными магнитами, электродвигатель с обмоткой возбуждения гораздо проще регулировать, в том числе и за счет изменения магнитного поля на роторе. Такие электродвигатели кажутся наиболее перспективными, но использование щеток явно намекает на необходимость их дальнейшей замены. Они неизбежно изнашиваются, поэтому в один «идеальный» момент нужно будет установить новые. Когда это произойдет — вопрос без ответа. Все зависит от надежности, которую регулируют бренды.

⊗ Модели:

БМВ iX3, iX, i4; Рено Меган Е-ТЕХ; УМНЫЙ ЭКВАЛАЙЗЕР.

⊕ Плюсы:

высочайшая эффективность; относительно низкая стоимость; отсутствие риска размагничивания;

⊖ Минусы:

наличие щеток и колец, которые со временем изнашиваются.

Источник: АренаЕВ.

Источник: Trаshbох

Оставить комментарий