Электродвигатель для электромобиля – Что собой представляет двигатель для электромобиля, каким может быть и сколько стоит

Содержание

главное для хорошего электромобиля – облегчённый мотор / Habr


Дизайн автора представляет новое слово в разработке электромоторов

В первое десятилетие XX века 38% всех машин в США работали на электричестве – и этот процент упал почти до нуля с ростом доминирования ДВС в 1920-х. Сегодняшнее стремление к сохранению энергии и уменьшению вредных выбросов вдохнуло в электромобили новую жизнь, но их высокая стоимость и ограниченный пробег сдерживают продажи.

Большая часть попыток решения этих проблем связана с улучшением батареек. Конечно же, улучшение систем хранения электроэнергии, будь то батарейки или топливные ячейки, должно оставаться частью любой стратегии улучшения электромобилей, но потенциал для улучшения есть и в другом фундаментальном компоненте машин: в моторе. Последние четыре года мы работали над новой концепцией тягового электродвигателя, используемого в электромобилях и грузовиках. Наша последняя разработка сильно улучшает эффективность по сравнению с обычными моделями – достаточно для того, чтобы сделать электромобили более практичными и доступными.

В прошлом году мы доказали работоспособность нашего мотора во всесторонних лабораторных тестах, и хотя до размещения его в автомобиле ещё далеко, у нас есть все основания полагать, что там он покажет себя так же хорошо. Наш мотор сможет увеличить пробег современных электромобилей, даже если мы не достигнем никакого прогресса в технологии батарей.

Чтобы понять сложность нашей задачи, необходимо вспомнить основы схемы электромотора (ЭМ). По сравнению с ДВС ЭМ проще, у них всего несколько критичных компонентов. Механика требует наличия корпуса. Он называется статором, поскольку не двигается. Необходим ротор, вращающий вал и создающий вращающий момент. Чтобы мотор работал, статор и ротор должны взаимодействовать при помощи магнетизма, превращая электрическую энергию в механическую.

Концепции моторов отличаются именно в области магнитных интерфейсов. В коллекторных моторах постоянного тока ток течёт через щётки, скользящие по коллекторному узлу. Ток идёт через коллектор и передаёт энергию намотке на роторе. Намотка отталкивается постоянными магнитами или электромагнитами статора. Щётки, скользя по коллектору, периодически меняют направление тока, и магниты ротора и статора отталкивают друг друга снова и снова, в результате чего ротор вращается. Иначе говоря, вращательное движение обеспечивается изменяющимся магнитным полем, производимым коллектором, соединяющим катушки с источником тока и циклически меняющим направление тока при поворотах ротора. Однако эта технология ограничивает вращающий момент и страдает от изнашивания; она уже не используется в тяговых ЭМ.

В современных электромобилях используется переменный ток от инвертера. Здесь динамическое вращающееся магнитное поле создаётся в статоре, а не в роторе. Это позволяет упростить схему ротора, который обычно более сложен, чем статор, что облегчает все задачи, связанные с разработкой ЭМ.

Моторов на переменном токе бывает два вида: асинхронные и синхронные. Мы сфокусируемся на синхронных, поскольку обычно они лучше и эффективнее работают.


Передовая система охлаждения проводит жидкость непосредственно через катушку (слева), а не через кожух мотора (справа)

Синхронные моторы тоже бывают двух видов. Более популярный – синхронная машина с постоянными магнитами [permanent-magnet synchronous machine, PMSM], использующая постоянные магниты, встроенные в ротор. Чтобы заставить его вращаться, в статоре организуется вращающееся магнитное поле. Это поле получается благодаря обмотке статора, соединённой с источником переменного тока. Во время работы полюса постоянных магнитов ротора захватываются вращающимся магнитным полем статора, что и заставляет ротор вращаться.

Такая схема, использующаяся в Chevrolet Volt и Bolt, в BMW i3, в Nissan Leaf и множестве других машин, может в пике достигать эффективности в 97%. Постоянные магниты обычно делают из редкоземельных элементов; яркие примеры – очень мощные неодимовые магниты, разработанные в 1982 году General Motors и Sumitomo.

Явнополюсные синхронные электродвигатели [Salient-pole synchronous machines, SPSM)] используют внутри ротора не постоянные, а электромагниты. Полюсы – это катушки в виде труб, направленные наружу, как спицы колеса. Эти электромагниты в роторе питаются источником постоянного тока, соединённым с ними через контактные кольца. Контактные кольца, в отличие от коллектора, не меняют направление тока. Северный и южный полюса ротора статичны, и щётки не изнашиваются так быстро. Как и в случае с PMSM, вращение ротора происходит из-за вращения магнитного поля статора.

Из-за необходимости питать электромагниты ротора через контактные кольца, у этих моторов обычно чуть ниже пиковая эффективность – в диапазоне от 94 до 96%. Преимущество над PMSM заключается в настраиваемости поля ротора, позволяющая ротору более эффективно вырабатывать крутящий момент на больших скоростях. Итоговая эффективность при использовании для разгона машины возрастает. Единственный производитель таких моторов в серийных авто – это Renault с его моделями Zoe, Fluence и Kangoo.

Электромобили необходимо строить с не только эффективными, но и лёгкими компонентами. Самый очевидный способ улучшить соотношение мощности к весу – уменьшить размер мотора. Однако такая машина выдаст меньший крутящий момент для одной и той же скорости вращения. Следовательно, чтобы получить больше энергии необходимо вращать мотор на более высоких скоростях. Сегодняшние электромобили работают на 12000 об/мин; в следующем поколении появятся моторы, работающие при 20000 об/мин; уже идут работы над моторами, работающие на скорости 30000 об/мин. Проблема в том, что чем выше скорость, тем сложнее получается редуктор – скорость вращения мотора слишком сильно превышает скорость вращения колёс. Из сложности редуктора следуют большие энергопотери.


Идеальный шторм: в авторском варианте (вверху) сила Лоренца и смещённая индуктивность (серый) суммируются в максимальное общее усилие (синее) равное 2. В обычном моторе (внизу) сумма двух сил – силы Лоренца и магнитное сопротивление (серый) дают общее усилие (синий), достигающее пика лишь в 1,76, при угле выбега ротора в 0,94 рад. Разница в этом примере составляет 14%

Второй подход к улучшению соотношения мощности к весу – увеличение силы магнитного поля, что увеличивает крутящий момент. В этом состоит смысл добавления железного сердечника к катушке – хотя это увеличивает вес, но одновременно усиливает плотность магнитного потока на два порядка. Следовательно, практически все современные ЭМ используют железные сердечники в статоре и роторе.

Однако, есть и минус. Когда сила поля увеличивается до определённого предела, железо теряет возможность усиления плотности потока. На это насыщение можно немного повлиять, добавляя присадки и изменяя процесс изготовления железа, но и самые эффективные материалы ограничены 1,5 В*с/м2 (вольт в секунду на квадратный метр, или тесла, Тл). Только очень дорогие и редкие вакуумные железно-кобальтовые материалы могут достигать плотностей магнитного потока 2 Тл или более.

И, наконец, третий стандартный путь увеличения крутящего момента – усиление поля через усиление тока, проходящего через катушки. Опять-таки, тут есть свои ограничения. Увеличьте ток, и увеличатся потери на сопротивление, уменьшится эффективность и появится тепло, способное повредить мотор. Для проводов можно использовать металл, лучше проводящий ток, чем медь. Серебряные провода также бывают, но их применение в таком устройстве было бы абсурдно затратным.

Единственный практический способ увеличить ток – контролировать тепло. Передовые охлаждающие решения проводят жидкость прямо рядом с катушками, а не дальше от них, снаружи статора.

Все эти шаги помогают улучшать соотношение веса к мощности. В гоночных электромобилях, где стоимость не имеет значения, моторы могут достигать 0,15 кг на киловатт, что сравнимо с лучшими ДВС из Формулы 1.

Мы со студентами разрабатывали и создавали такие высокопроизводительные электромоторы для автомобиля, участвовавшего в студенческой Формуле три года назад. Мы создавали моторы в нашей лаборатории в Электротехническом институте Технологического института Карлсруэ. Каждый год команда создавала новую машину с улучшенным мотором, редуктором и силовой электроникой. В машине четыре мотора, по одному на колесо. Каждый имеет всего 8 см в диаметре, 12 см в длину и 4,1 кг веса, и производит 30 кВт на постоянной основе и 50 кВт в пике. В 2016 году наша команда выиграла чемпионат мира.

Так что это и правда можно сделать, если стоимость вас не волнует. Главный вопрос – можно ли использовать такие улучшающие эффективность технологии в массовом производстве, в машине, которую могли бы купить вы? Мы создали такой мотор, так что ответ на вопрос – положительный.

Мы начали с простой идеи. Электромоторы хорошо работают как в роли моторов, так и в роли генераторов, хотя для электромобилей такая симметрия не особенно нужна. Для автомобиля нужен мотор, работающий лучше в роли мотора, чем в роли генератора – последняя используется только для заряда батарей при рекуперативном торможении.

Чтобы понять эту идею, рассмотрим работу мотора PMSM. В таком моторе движение создают две силы. Во-первых, сила, возникающая благодаря постоянным магнитам в роторе. Когда ток идёт через медные катушки статора, они создают магнитное поле. Со временем ток переходит из одной катушки в другую и заставляет магнитное поле вращаться. Вращающееся поле статора притягивает постоянные магниты ротора, и тот начинает двигаться. Этот принцип основан на силе Лоренца, влияющей на движение заряженной частицы в магнитном поле.

Но современные ЭМ получают часть энергии от магнитного сопротивления – силы, притягивающей блок железа к магниту. Вращающееся поле статора притягивает как постоянные магниты, так и железо ротора. Сила Лоренца и магнитное сопротивление работают бок о бок, и – в зависимости от схемы мотора – примерно равны друг другу. Обе силы примерно равны нулю, когда магнитные поля ротора и статора выравниваются. С увеличением угла между ними мотор вырабатывает механическую энергию.

В синхронном моторе поля статора и ротора работают совместно, без задержек, существующих в асинхронных машинах. Поле статора находится под определённым углом к полю ротора, который можно регулировать во время работы для достижения наибольшей эффективности. Оптимальный угол для создания вращательного момента при заданном токе можно вычислять заранее. Затем он подстраивается, по мере изменения тока, к силовой электронной системе, дающей переменный ток на намотку статора.

Но вот, в чём проблема: при движении поля статора по отношению к положению ротора сила Лоренца и магнитное сопротивление то увеличиваются, то уменьшаются. Сила Лоренца увеличивается по синусоиде, достигающей пика на 90 градусов от точки отсчёта (от точки, в которой поля статора и ротора выровнены). Сила манитного сопротивления циклично меняется в два раза быстрее, поэтому достигает пика на 45 градусах.

Поскольку силы достигают максимума в разных точках, максимальная сила мотора меньше, чем сумма его частей. Допустим, у какого-то определённого мотора в определённый момент работы оказывается, что оптимальным углом для максимума суммарной силы будет 54 градуса. В этом случае этот пик будет на 14% меньше, чем суммарные пики двух сил. Это наилучший из возможных компромиссов данной схемы.

Если бы мы могли переделать этот мотор так, чтобы две силы достигали максимума в одной точке цикла, мощность мотора возросла бы на 14% совершенно бесплатно. Вы бы потеряли только эффективность работы в роли генератора. Но мы, как будет показано далее, нашли способ восстановить и эту способность, чтобы мотор лучше восстанавливал энергию при торможении.

Разработка идеально выравнивающего поля мотора – дело непростое. Проблема состоит в комбинации PMSM и SPSM в новую гибридную схему. В результате получается гибридный синхронный мотор со смещённой осью магнитного сопротивления. По сути, этот мотор использует как провода, так и постоянные магниты, для создания магнитного поля в роторе.

Другие пытались работать в этом направлении, а затем отбросили эту идею – но они хотели использовать постоянные магниты только для усиления электромагнитного поля. Наша инновация состоит в использовании магнитов только для придания точной формы полю, чтобы оптимально выровнять две силы – силу Лоренца и силу магнитного сопротивления.

Основная проблема в разработке состояла в поиске такой конструкции ротора, которая могла бы менять форму поля, оставаясь при этом достаточно прочной для того, чтобы вращаться на высоких скоростях, не ломаясь при этом. В центре нашей схемы – многослойная структура ротора, несущего медную намотку на железном сердечнике. Мы приклеили постоянные магниты к полюсам сердечника; дополнительные шипы препятствуют их вылету. Чтобы всё удерживалось на месте, мы применили крепкие и лёгкие титановые штифты, пропущенные через электромагнитные полюса ротора, притянутые гайками к кольцам из нержавеющей стали.

Мы также нашли способ обойти недостаток первоначального мотора, уменьшение крутящего момента во время работы генератором. Теперь мы можем менять направление поля в роторе так, что генерация во время рекуперативного торможения работает так же эффективно, как режим мотора.

Этого мы добились, меняя направление тока в намотке ротора во время работы в режиме генератора. Работает это следующим образом. Представьте себе первоначальный вид ротора. Если идти по его периметру, вы обнаружите определённую последовательность северных и южных полюсов электромагнитных (Е) и постоянных магнитных (P) источников: NE, NP, SE, SP. Эта последовательность повторяется столько раз, сколько в моторе пар полюсов. Меняя направление тока в обмотке, мы меняем ориентацию электромагнитных полюсов, и только их, в результате последовательность превращается в SE, NP, NE, SP.

Изучив две этих последовательности, вы увидите, что вторая похожа на первую, идущую задом наперёд. Это значит, что ротор можно использовать в режиме мотора (первая последовательность) или в режиме генератора (вторая), когда ток в роторе меняет направление на противоположное. Таким образом наша машина работает более эффективно, чем обычные моторы, как в роли мотора, так и в роли генератора. На нашем прототипе изменение направления тока занимает не более 70 мс, что достаточно быстро для автомобилей.

В прошлом году мы построили прототип мотора на верстаке и подвергли его тщательным проверкам. Результаты ясны: при той же самой силовой электронике, параметрах статора и других ограничениях обычного мотора, машина способна выдавать почти на 6% больше крутящего момента и на 2% больше эффективности в пике. В цикле езды результаты ещё лучше: ей требуется на 4,4% меньше энергии. Это значит, что машина, проезжающая на одной зарядке 100 км, проехала бы с этим мотором 104,4 км. Дополнительные километры достаются нам почти задаром, поскольку в нашей схеме есть всего несколько дополнительных частей, заметно менее дорогих, чем дополнительные батарейки.

Мы связались с несколькими производителями оборудования, и они нашли нашу концепцию интересной, хотя пройдёт ещё много времени до того, как вы увидите один из таких асимметричных моторов в серийном автомобиле. Но появившись, в результате он станет новым стандартом, поскольку извлечение всей возможной пользы из имеющейся у вас энергии стоит в приоритете как для автопроизводителей, так и для всего нашего общества.

habr.com

Силовая установка электромобиля, электродвигатель » Эксплуатация электромобиля в России

24 января 2019 в 13:32

Мощность электродвигателя электромобиля, как и в других транспортных средствах, измеряется в киловаттах (кВт). 100 кВт примерно равно 134 лошадиным силам. Отличительная черта электродвигателя состоит в том, что в отличие от ДВС он может выдавать максимальный крутящий момент в более широком диапазоне оборотов. Это означает, что динамика электрокара с двигателем мощностью 100 кВт будет значительно лучше динамики транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания мощностью 100 кВт, который может обеспечивать максимальный крутящий момент в пределах ограниченного диапазона оборотов (бензиновый мотор обычно надо "раскручивать" до высоких оборотов, чтобы получить номинальный крутящий момент).

Энергия теряется в процессе преобразования электрической энергии в механическую. Приблизительно 90% энергии от батареи преобразуется в механическую энергию, остальные 10% - потери в двигателе и трансмиссии. Это означает, что КПД (коэффициент полезного действия) электродвигателя достигает 90%, тогда как КПД бензинового мотора - до 25%, а дизеля - до 50%.

Обычно электропитание в виде постоянного тока подается в преобразователь, где он становится переменным, а далее приходит в трехфазный двигатель переменного тока.

Для некоторых электромобилей используются двигатели постоянного тока. В некоторых случаях используются универсальные двигатели, на который можно подавать как переменный ток, так и постоянный. 

В последнее время электродвигатели совершенствуются, в том числе были реализованы различные типы двигателей, например, асинхронные двигатели на автомобилях Tesla и двигатели с постоянными магнитами в Nissan Leaf и Chevrolet Bolt.

На изображении выше можно увидеть схему силовой установки Nissan Leaf второго поколения. 

  • Электродвигатель создает крутящий момент для перемещения автомобиля, а также генерирует зарядный ток во время рекуперативного торможения.
  • Инвертор, используя двигатель, преобразует электричество постоянного тока в переменный ток для движения, а также преобразует переменный ток в постоянный во время торможения (рекуперации) для заряда батареи.
  • Понижающий редуктор модулирует вращение двигателя и передает мощность на колеса (приводной вал), аналогично классической передаче.
  • PDM (модуль подачи питания) представляет из себя интегрированный блок с зарядным устройством для зарядки переменным током высокого напряжения батареи, преобразователем постоянного тока, который преобразует высокое напряжение в низкое, и распределительную коробку, которая распределяет высокое напряжение на каждый блок, блокируя ток, как прерыватель, когда возникают перегрузки.

Подробно понять устройство электромобиля поможет это видео:

efut.ru

Какой мощности электродвигатель для электромобиля. Как устроен электромобиль? Электрические двигатели и аккумуляторные батареи.

1143 Просмотров

С самого момента появления заводов и отходов от них человечество начало беспокоиться об экологии. Это послужило веткой для целой новой науки, которая искала аналоговые источники энергии. Таким источником стало электричество. Оно может быть добыто абсолютно экологичным путем – с помощью турбин, приводимых в движение водой, ветром и даже, солнечным светом.

Основываясь на этой конфигурации, некоторые разработчики разработали гибридные транспортные средства с расширенным диапазоном. Эти автомобили всегда работают в режиме электрической тяги, в то время как двигатель внутреннего сгорания, работающий в режиме генератора, заряжает батареи.

Как тепловой, так и электрический двигатель могут генерировать тягу колес индивидуально или вместе. Он сочетает в себе характеристики гибридных серий и параллельных транспортных средств. Они улучшают гибриды с низкой скоростью и гибриды на высокой скорости. Напротив, стоимость транспортного средства выше, чем параллельный гибрид.

Такая же ситуация происходила и с авто. Люди уже давно пытаются сделать электрическое авто. Но всегда был какой-то сдерживающий фактор. Самым главным являлось отсутствие подходящего источника питания. Но не так давно мир увидел первую версию SMART – умного автомобиля, работающего на электричестве, которое распределялось по всей машине по определенной схеме.

Тип по степени гибридизации

Это транспортное средство, у которого электрический двигатель не имеет достаточной мощности для езды только с электродвигателем. Эти автомобили достигают экономии приблизительно 15% в городах и от 8 до 10% в полном цикле. «Полностью гибридные» транспортные средства - это транспортные средства, которые могут ездить только с электрическим тяговым усилием на определенное количество километров, рассчитывая на электричество, хранящееся в батареях.

Электрические автомобили начинают набирать вес в автомобильной промышленности, учитывая его явные преимущества перед традиционными экономичными автомобилями с точки зрения экономии потребления, уважения к окружающей среде и других причин. Несмотря на это, сектор электромобилей по-прежнему не имеет большого значения. Частично это объясняется тем, что правительства и сами бренды не сосредоточились на продаже продукта, дос

toyotamark2.ru

Двигатели для электромобилей: производители, устройство

Исчерпание углеводородного топлива, ухудшение экологической обстановки и ряд других причин рано или поздно заставят производителей разработать модели электромобилей, которые станут доступны для широких слоев населения. А пока остается только ждать или собственноручно разрабатывать варианты экологически чистой техники.

двигатели для электромобилейЕсли же вы все-таки предпочитаете самостоятельно искать решения, а не дожидаться их со стороны, то вам понадобятся знания о том, какие двигатели для электромобиля уже изобрели, чем они отличаются и какой из них наиболее перспективный.

Тяговый двигатель

Если вы решите поставить обыкновенный электромотор под капот своего автомобиля, то, скорее всего, из этого ничего не выйдет. А все потому, что вам необходим тяговый электрический двигатель (ТЭД). От обычных электромоторов он отличается большей мощностью, способностью выдавать больший крутящий момент, небольшими габаритами и малой массой.

Для питания тягового электродвигателя используются батареи. Они могут подзаряжаться от внешних источников («от розетки»), от солнечных батарей, от генератора, установленного в авто, или в режиме рекуперации (самостоятельное восполнение заряда).

Двигатели для электромобилей чаще всего работают от литий-ионных батарей. ТЭД обычно функционирует в двух режимах – двигательном и генераторном. В последнем случае он восполняет потраченный запас электроэнергии при переходе на нейтральную скорость.

Принцип работы

Стандартный электродвигатель состоит из двух элементов – статора и ротора. Первый компонент является неподвижным, имеет несколько катушек, а второй совершает вращательные движения и передает усилие на вал. На катушки статора с определенной периодичностью подается переменный электрический ток, что вызывает появление магнитного поля, которое начинает вращать ротор.

электромобиль ценаЧем чаще катушки «включаются-выключаются», тем быстрее вращается вал. В двигатели для электромобилей могут устанавливать два вида ротора:
  • короткозамкнутый, на котором возникает магнитное поле, противоположное полю статора, за счет чего и происходит вращение;
  • фазный – используется для уменьшения тока запуска и контроля скорости вращения вала, является наиболее распространенным.

Кроме того, в зависимости от скорости вращения магнитного поля и ротора двигатели могут быть асинхронными и синхронными. Тот или иной тип необходимо выбирать из имеющихся средств и поставленных задач.

Синхронный двигатель

Синхронный двигатель – это ТЭД, у которого скорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения магнитного поля. Такие двигатели для электромобилей целесообразно использовать только в тех случаях, когда имеется источник повышенной мощности – от 100 кВт.

запчасти для электромобилейОдной из разновидностей синхронных электромоторов является шаговый двигатель. Обмотка статора такой установки разбита на несколько секций. В определенный момент ток подается на определенную секцию, возникает магнитное поле, которое вращает ротор на определенный угол. Затем ток подается на следующую секцию, и процесс повторяется, вал начинает вращаться.

Асинхронный электромотор

В асинхронном двигателе скорость вращения магнитного поля не совпадает со скоростью вращения ротора. Плюсом таких устройств является ремонтопригодность – запчасти для электромобилей, оснащенных этими установками, найти очень просто. К другим преимуществам относятся:

  1. Простая конструкция.
  2. Простота обслуживания и эксплуатации.
  3. Низкая стоимость.
  4. Высокая надежность.

В зависимости от наличия щеточно-коллекторного узла двигатели могут быть коллекторными и безколлекторными. Коллектор – устройство, служащее для преобразования переменного тока в постоянный. Щетки служат для передачи электроэнергии на ротор.

электромобиль mercedesБезколлекторные двигатели для электромобилей отличаются меньшей массой, компактными габаритами и более высоким КПД. Они реже перегреваются и потребляют меньше электричества. Единственный минус такого двигателя – высокая цена на электронный блок, который выполняет функции коллектора. Кроме того, найти запчасти для электромобилей, оснащенных безколлекторным двигателем, сложнее.

Производители электродвигателей

Большинство самодельных электромобилей сконструировано с применением коллекторного двигателя. Это объясняется доступностью, низкой ценой и простым обслуживанием.

Видным производителем линейки данных моторов является немецкая компания Perm-Motor. Ее продукция способна к рекуперативному торможению в генераторном режиме. Она активно используется для оснащения скутеров, моторных лодок, легковых автомобилей, электроподъёмных устройств. Если двигатели Perm-Motor устанавливали в каждый электромобиль, цена их была бы значительно ниже. Сейчас они стоят в пределах 5-7 тыс. евро.

автомобиль электромобильПопулярным производителем является компания Etek, которая занимается производством безщеточных и щеточных коллекторных двигателей. Как правило, это трехфазные моторы, работающие на постоянных магнитах. Основные преимущества установок:
  • точность управления;
  • легкость организации рекуперации;
  • высокая надежность за счет простой конструкции.

Завершает список производителей завод из США Advanced DC Motors, выпускающий коллекторные электромоторы. Некоторые модели обладают исключительной особенностью – они имеют второй шпиндель, что можно использовать для подключения на автомобиль-электромобиль дополнительного электрооборудования.

Какой двигатель выбрать

Чтобы покупка вас не разочаровала, надо сравнить характеристики приобретаемой модели с предъявляемыми требованиями к автомобилю. При выборе электродвигателя в первую очередь ориентируются на его тип:

  • Синхронные установки имеют сложное устройство и дорогостоящи, но обладают перегрузочной способностью, ими легче управлять, им не страшны перепады напряжения, используются при высоких нагрузках. Они устанавливаются на электромобиль Mercedes.
  • Асинхронные модели отличаются низкой стоимостью, простым устройством. Они просты в обслуживании и эксплуатации, однако выделяемая ими мощность намного меньше, чем тот же показатель синхронной установки.

На электромобиль цена будет значительно ниже, если электромотор будет работать в паре с двигателем внутреннего сгорания. На рынке такие комбинированные установки обладают большей популярностью, так как их стоимость составляет около 4-4,5 тыс. евро.

fb.ru

Двигатель электрический для электромобиля, прошлое, настоящее и будущее

Где применяется электрический автомобильный двигатель

Содержание статьи

Электродвигатель для автомобиля, в качестве тягового устройства применялся на автомобилях (вернее на их прототипах), еще раньше, чем двигатель внутреннего сгорания. Однако на сегодняшний день автомобильные электрические машины (именно так они правильно называются), применяются на электромобилях, работающих исключительно на аккумуляторах или других накопителях электрической энергии, а также на гибридных автомобилях.

Гибридные автомобили называются так, потому, что в них есть и двигатель внутреннего сгорания (ДВС), и аккумуляторная батарея.

История создания

Первая, можно сказать лабораторная, модель-прототип электромобиля была создана почти 200 лет назад. Известно, что в 1828 году венгерский изобретатель Джедлик продемонстрировал тележку, которая двигалась за счет электрической энергии. Но этот образец только показал принцип электрической тяги. Ведь настоящий электродвигатель постоянного тока, способный работать достаточно долго, был изобретен в 1833 году физиком из Великобритании Уильямом Стёрдженом. В 1835 году в Голландии Кристофер Беккер и  Стратин Гронинген построили первый электромобиль. Конечно, он был несовершенен и в серийное производство не пошел.

Первый патент на электрический двигатель был получен в 1837 году Томасом Дэвенпортом, именно с этого времени можно сказать, что началось строительство электромобилей. Проблема электромобилей того времени была в очень небольшом заряде тогдашних аккумуляторов. Эту проблему пытались решить американец Томас Давенпорт и голландец Роберт Андерсон, которые создали автомобиль, двигающийся за счет электричества от одноразовых гальванических элементов в 1842 году.

Больших успехов в использовании электрической энергии для тяги достигли в 19-том веке железнодорожники. Уже в 1847 году в Питсбурге (США) работал локомотив (можно назвать его первым электровозом), который получал электричество по рельсам. Аккумуляторы были очень ненадежные и с очень небольшим ресурсом, да и энергии они запасали мало. И только улучшение рабочих характеристик аккумуляторных батарей решило проблему использования электромобилей. Нужно отметить, что первый рекорд скорости превышающей 100 км/час был зафиксирован именно электромобилем.

Так в 1899 году бельгиец Камиль Женатци на электромобиле «La Jamais Contente» разогнался до 105,882 км/ч. Как видно на рисунке (слева) этот электромобиль на резиновом ходу (на пневматических шинах), это тоже было новшеством на тот момент.

Немногим раньше в Лондоне было запущено движение электрических омнибусов (тогдашних автобусов) благодаря Ральфу Уорду. В это же время в Нью-Йорке начали работать такси на электротяге, стали выпускаться электровелосипеды и многие другие подвижные единицы на электричестве. В России они (электромобили, точнее омнибусы) появились в 1901 году (фото справа) разработки инженера Романова. Уже в 1902 году заводом «Дукс» в Москве выпускался электромобиль для частного использования (фото слева).

 

 

Напомним, что только в 1878 году Николаусом Отто был запущен в серию четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, который можно было устанавливать на автомобиль. Он с некоторыми доработками служит «верой и правдой» автомобилистам и по сей день.

Да, двигатель Отто и резкое падение цен на нефть, из которой получают бензин, вытеснило электромобили почти на 100 лет с рынка, но они вновь завоевывают себе «место под солнцем», тесня классические ДВС. Все это благодаря тому, что электромобили практически бесшумны, экологически безвредны и экономически выгодны в эксплуатации. Нужно напомнить, что КПД электродвигателя высокий и составляет (85…95 %), да и электричество дешевеет. Если его (электричество) получать при помощи солнечных батарей или ветрогенераторов, то эксплуатация электромобиля получается почти бесплатной.

На сегодняшний день доля электромобилей среди всего автопарка составляет около 1%, но это пока. За последние 2 года количество продаж электрокаров увеличилось на 45%. Осталось только подождать, когда бензиновые и дизельные автомобили потихоньку сойдут с рынка.

Принцип работы электромобиля

Классическая схема электромобиля представлена на рисунке справа. Аккумуляторы расположенные здесь вдоль кузова отдают свою энергию через устройство управления (УУ) электродвигателю (ЭД), а он вращает колеса. Но эта компоновка далека от совершенства. Дело в том, что электропривод имеет очень важное преимущество перед любыми другими типами приводов – рекуперация. Рекуперация, это преобразование энергии движения в электрическую. Все мы с вами знаем, что энергия никуда не исчезает, она может только преобразовываться из одного вида в другой. Так вот, энергия движения (кинетическая энергия) при торможении автомобиля преобразуется в тепловую. Мы с вами просто нагреваем тормозные колодки, и это тепло отдаем атмосфере. То есть, по сути дела выбрасываем эту энергию. В электромобилях и в гибридах мы можем большую часть кинетики преобразовать в электричество и опять накопить его в аккумуляторе.

Гибридные автомобили всегда имеют кроме аккумулятора и двигатель внутреннего сгорания. Зачем? Для того чтобы удлинить расстояние езды на электромобиле. Дело в том, что даже современные аккумуляторы могут накопить энергии на 100, ну максимум на 200 километров пробега. Согласитесь, что это совсем немного. При использовании ДВС, в качестве дополнительного источника энергии можно удлинить путь до 800, а иногда и до 1000 километров без подзарядки аккумулятора и без дозаправки бензином или дизельным топливом.

Как правило, на авто такого типа (гибридных автомобилях) нет прямого воздействия двигателя на ведущие колеса. ДВС вращает генератор, который вырабатывает электрическую энергию, и уже эта энергия подается на электродвигатели либо на накопители энергии, если автомобиль едет по инерции или стоит (на светофоре, например). Накопителями энергии могут быть не только аккумуляторы, в последнее время все большей популярностью пользуются суперконденсаторы.

Двигатель  на гибридных автомобилях может быть подключен к генератору, который вырабатывает электричество. Электричество это можно использовать для разгона (его обычно не хватает, аккумулятор плохо отдает электроэнергию на старте), или для зарядки аккумулятора, если авто на выбеге или стоянке. Крайне редко ДВС не подключен к генератору. При такой схеме ДВС помогает электродвигателю разгонять автомобиль.Где же экономия? Все дело в том, что при любой схеме подключения ДВС и электродвигателя, двигатель внутреннего сгорания всегда работает в номинальном режиме. В котором достигается максимальная экономия. КПД у ДВС всегда указывается для номинального режима и он колеблется от 36 до 42. Для малых оборотов этот КПД не превышает 7…10%.

Существует и более сложные системы. Вот, например, как взаимодействуют  детали в современном гибридном автомобиле «Тойота Приус». Здесь ДВС может работать на генератор, а может и помогать вращать ведущие колеса через планетарный механизм. При торможении, мотор/генератор (MG2) преобразует кинетическую энергию в электрическую, заряжая аккумулятор. В результате чего достигается неплохая экономия. Да это сложно, но это того стоит. Расход у Тойоты-Приус около 3-х литров бензина на 100 километров.

Устройство тягового электродвигателя автомобиля

Устройство электродвигателя автомобиля зависит, от многих факторов.  Электродвигатели для электромобилей могут быть как постоянного, так и переменного тока. В последнее время на машину такого типа ставят только двигатель переменного тока (синхронный или асинхронный).  Первые электромоторы для автомобилей были, конечно, постоянного тока. Это и логично, потому как аккумулятор выдает постоянный ток, и двигатель электрический также постоянного тока. Их применяют и сейчас, но уже гораздо реже. Однако, все не так просто, как кажется на первый взгляд. Электродвигатели переменного тока гораздо экономичнее и надежнее. Выглядеть они могут точно так же как и электродвигатели постоянного тока. Разные типы электродвигателей имеют различную маркировку. AC – говорит о том, что этот двигатель переменного тока, DC – постоянного.

Принцип работы любого электродвигателя состоит во взаимодействии магнитных полей. Еще Фарадей на заре электричества заметил, что если проводник, по которому течет ток, поместить в постоянное магнитное поле, то этот проводник стремится вырваться из этого поля отклоняясь в ту или иную сторону в зависимости от направления движения тока. Если этих проводников много, и магнитное поле сильное, то и работа такого двигателя постоянного тока  будет соответствующей.

В каждом электродвигателе есть ротор (его иногда называют якорь) и статор (его еще называют индуктором). Ротором является вращающееся часть, статором – не вращающееся (стационарная). И ротор и статор имеют обмотки состоящие из отдельных проводников. Для подачи электрического тока на вращающуюся часть двигателя существует коллектор (набор медных пластин собранных в цилиндр). От статора на коллектор ток передается при помощи специальных щеток. Взаимодействие магнитных полей заставляет ротор совершать вращение.

Электродвигатели переменного тока работают несколько по-другому. Статор создает магнитное поле, которое само вращается. Оно (поле) может увлекать за собой стальные предметы, то есть заставлять вращаться ротор. По этой причине на роторе обмотка не нужна. Но в этом случае скорость вращения ротора будет отставать от скорости вращения магнитного поля статора. Такие электродвигатели нарываются асинхронными.

Для того, чтобы точно знать с какой частотой вращается ротор и регулировать эту частоту, необходимо на роторе разместить электрическую обмотку.  Такие электродвигатели называются синхронными. Но вновь появляется слабое звено электродвигателя – коллектор. Щетки изнашиваются и их нужно менять. Асинхронные двигатели в обслуживании не нуждаются.

На рисунке представлено два вида синхронных двигателей (с явными и неявными полюсами). Повторимся, что асинхронный двигатель отличается лишь тем, что на якоре нет обмотки.

При работе каждый электродвигатель нагревается. По этой причине тема охлаждения электрических машин очень важна. Система охлаждения может быть автономная и принудительная. На электродвигателях большегрузных автомобилей, например БелАЗ, охлаждение принудительное (воздух для охлаждения подается специальным вентилятором). У машин малого класса и легковых, на самом двигателе есть крыльчатка, которая продувает воздух через двигатель, тем самым охлаждая его.

Характеристики электродвигателей автомобильных

Характеристика электродвигателя, это соотношение его параметров к его цене. Лучше всего это представить в табличной форме. В таблице представлены популярные электродвигатели как постоянного DC, так и переменного AC тока. Напряжение у некоторых двигателей имеет несколько значений, это значит, что они способны работать на всех указанных напряжениях. Мощность N указана номинальная. Вращающий момент M, тоже при номинальном режиме работы. Частота вращения указана как максимально допустимая.

Характеристики электрического двигателя автомобиля невозможно сравнивать спонтанно. Для каждого конкретного случая, для определенного автомобиля, может быть разработан свой, оригинальный электродвигатель. Но электродвигатель переменного тока, а он здесь представлен один, явно отличается в лучшую сторону, от электродвигателей постоянного тока той же мощности, хотя бы по соотношению цены и вырабатываемой мощности (AC – 10.7 $/кВт, DC – 450 $/кВт).

Перспективы развития

Внедрение синхронных и асинхронных двигателей на автомобилях тормозилось медленным развитием электроники способной контролировать процессы в этих самых двигателя. Теперь эти барьеры снимаются, электроника становится надежной и относительно дешевой. По этой причине в скором времени электродвигатели переменного тока на электромобилях скорее всего будут внедряться практически повсеместно.

Изобретение новых конструкционных материалов позволяет повышать надежность и долговечность электродвигателей.

Что касается электромобилей в целом, то за ними большое будущее.

znayauto.ru

В настоящее время широкой популярностью пользуются двигатели, работающие от электроэнергии

Схема

Об электродвигателе

Двигатели для электромобилей подразделяются на:
Виды электродвигателей

  • синхронные;
  • асинхронные.

Практически сила авто – несложная установка, которая в процессе функционирования оправдывает себя. При работе на нейтрале аккумулятор заряжается. КПД составляет почти 90%. Это значит, что объем выделяемой энергии полностью направлен на создание движения. Получается преобразование электрической энергии в механическую с излучением тепла.

Принцип работы

Имеется несколько особенностей двигателя:

  1. Перед непосредственным запуском крутящий момент максимальный. На основании этого показателя не следует производить зацепление за стартер либо за сцепление.
  2. Работа происходит в большом спектре оборотов. Поэтому установка коробки для переключения передач необязательна. Чтобы изменить направление вращения, следует переставить местами полярности, вследствие этого на задней передаче можно получить выигрыш.

О достоинствах конструкции:

  • удобство и безопасность;
  • гарантийные обязательства прочностных характеристик;
  • компактность;
  • простота в управлении;
  • современность конструкции;
  • доступность.

Для работы разных типов электродвигателей в основе лежит магнитная индукция. Как правило, такие конструкции состоят из ротора и статора. Элементарные познания электротехники указывают, что ротор – это крутящийся элемент, а статор – неподвижный. На катушки, размещенные на статоре, периодически поступает постоянный ток, а такое явление обеспечивает создание магнитного поля. В конструкции двигателя стоит элемент, необходимый для управления. Он производит отключение тока с одной катушки на другую. На основании этого процесса происходит вращение ротора. Его скоростной режим определяется частотой переключения создаваемых оборотов напряжения с первой катушки на вторую. Роторы для двигателя подразделяются на следующие виды:

  • накоротко замкнутый;
  • фазный, используемый при вращении для снижения скорости тока при запуске и для контроля крутящих скоростей. Подобные двигатели применяются в крановых системах, а забор энергии происходит от природы.

Для маломощных конструкций используется магнитный индуктор. Якорь – это элемент, обеспечивающий вращение двигателя. Такой тип имеет активацию обмотки и индуктора. Различие определяется лишь по качеству обмотки. На постоянном токе отсутствует сопротивление.

Виды двигателей

Электродвигатели, зависящие от природной энергии, делятся на группы, согласно заданным критериям. По моменту вращения:

  1. Гистерезисные. При этом постоянное вращение достигается при изменениях магнитного поля ротора. Такая группа не применяется в производственных процессах.
  2. Магнитоэлектрические. Их применение довольно актуально в производстве и потребительской сфере. К такой группе относятся конструкции переменного и постоянного показателей токов.

Электродвигатель для электромобиля постоянного тока представляет собой мотор, работающий на постоянном токе, а двигатель, функционирующий на переменном токе, называется двигателем непостоянного тока. Лишь только в скорости включения гармоники можно найти их отличия. В первом случае такая скорость приравнивается к количеству частоты оборотов. Во втором – эти скоростные характеристики имеют отличительные черты.

Электродвигатель на электромобиль неизменного тока состоит:

Схема

 

  • из якоря;
  • на нем устанавливается сердечник для полюса;
  • на полюсе производится обмотка;
  • из статора;
  • вентиляционной установки;
  • установленных щеток;
  • коллектора для накапливания электрических зарядов.

Двигатели постоянного тока подразделяются на:

  1. Электродвигатель на электромобиль синхронного типа.Он напоминает мотор, функционирующий на переменном токе. Обеспечивает движение в такт с напряжением магнита. Такой тип больше подходит на электромобили с характеристиками мощности 100 и выше кВт. Одним из видов этих движков являются шаговые моторы, характеризующиеся угловым движением ротора. Питание подается на специально предназначенную обмотку. Для того чтобы обеспечить изменение положения ротора из одного места в иное, достаточно произвести перенаправление между линиями напряжений установленных обмоток.Вентильный двигатель – это одна из разновидностей синхронных. Его питание осуществляется через полупроводники.
  2. Асинхронный двигатель на электромобиле.Это мотор непостоянного тока, и скорость вращения ротора отличается от показателя магнитной индукции, которая, в свою очередь, создается напряжением. Именно эти движки обладают повышенным спросом.

Согласно узлу коллектора, различают:

Схема устройства электродвигателей

  • бесколлекторные;
  • коллекторные.

В зависимости от вида активации:

  • моторы, работающие от электрических или постоянных магнитов;
  • самовозбуждающиеся от природных условий подвижные механизмы.

Разновидность двигателей также различается, от какой фазы он работает. Как правило, они бывают одно-, двух-, трех- и многофазными.

Новые разработки подобных механизмов можно приобрести в розничной продаже, а можно сконструировать самим.

Выбор двигателя

Новейшая технология производства позволяет выбрать нужный механизм для задания движения транспорту.

Критерии выбора:

  • длительность рабочего цикла;
  • мощность;
  • потребление энергии;
  • режимы работы;
  • стоимость.

При непосредственном выборе двигателя немаловажно обратить внимание на ресурс работы и обслуживание, в том числе профилактические мероприятия. Сегодня они имеются как отечественного, так и зарубежного производства. Для выбора наиболее подходящей модели стоит получить консультацию специалиста.

'; blockSettingArray[0]["setting_type"] = 6; blockSettingArray[0]["elementPlace"] = 2; blockSettingArray[1] = []; blockSettingArray[1]["minSymbols"] = 0; blockSettingArray[1]["minHeaders"] = 0; blockSettingArray[1]["text"] = '

'; blockSettingArray[1]["setting_type"] = 6; blockSettingArray[1]["elementPlace"] = 0; blockSettingArray[3] = []; blockSettingArray[3]["minSymbols"] = 1000; blockSettingArray[3]["minHeaders"] = 0; blockSettingArray[3]["text"] = '

ekoenergia.ru

Современный электродвигатель - Экологические автомобили Экологические автомобили

Для большинства экологичных машин, таких как серийные электромобили, гибриды и автомобили на топливных элементах, главная движущая сила — это электрический двигатель. В основу работы современного электродвигателя положен принцип электромагнитной индукции — явления, связанного с возникновением электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока.

Тесная взаимосвязь между магнитными и электрическими явлениями открыла перед учеными новые возможности. История электрического транспорта и всего электромашиностроения в целом начинается с закона электромагнитной индукции, открытого М. Фарадеем в 1831 году, и правила Э. Ленца, согласно которому индукционный ток всегда направлен таким образом, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Труды Фарадея и Ленца легли в основу создания первого электродвигателя Бориса Якоби.

Современные электродвигатели, хоть и основаны на одном и том же законе, что и электромеханический преобразователь Якоби, но существенно от него отличаются. Со временем электрические моторы стали мощнее, компактнее, кроме того, их КПД значительно вырос. Коэффициент полезного действия современного тягового электродвигателя может составлять 85-95 %. Для сравнения, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания без вспомогательных систем едва ли дотягивает до 45 %.

Виды современных электродвигателей

Электрические двигатели различаются по роду питающего напряжения:

  • Двигатель переменного тока
  • Двигатель постоянного тока

по числу фаз питающей сети:

  • Однофазный электродвигатель. С одной рабочей обмоткой, подключается к однофазной сети переменного тока;
  • Двухфазный электродвигатель. Имеет две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90 градусов;
  • Трехфазный электродвигатель. Подключается к трехфазной сети переменного тока, имеет 3 обмотки, магнитные поля которых расположены через 120 градусов.

по конструктивному исполнению:

  • Коллекторный. Переключателем тока в обмотках и датчиком положения ротора является тоже самое устройство — щёточноколлекторный узел. Работает преимущественно на постоянном токе, однако современные электродвигатели, так называемые универсальные коллекторные двигатели, могут одновременно работать на постоянном и переменном токе;
  • Бесколлекторный. Вентильные двигатели постоянного тока выполнены в виде замкнутой системы с датчиком положения ротора, инвертором и преобразователем координат.

по принципу работы:

  • Синхронный электродвигатель. Электромеханическая машина, в которой ротор вращается синхронно с магнитным полем переменного тока;
  • Асинхронный электродвигатель. Частота вращения ротора асинхронного двигателя переменного тока не совпадает с частотой вращения магнитного поля, которое создается током обмотки статора.

и по способу возбуждения:

  • с возбуждением от постоянных магнитов;
  • с параллельным возбуждением;
  • с последовательным возбуждением;
  • с последовательно-параллельным.

Тяговый электродвигатель для электромобиля

Электрический двигатель для современного электромобиля может быть как постоянного, так и переменного тока. Его основная задача — передача крутящего момента на движитель электромобиля. Основные отличия современного тягового электродвигателя от традиционной электромеханической машины являются большая мощность и компактные размеры, вызванные ограниченностью используемого пространства. В качестве характеристик тягового электромотора, кроме мощности и максимального крутящего момента, учитываются напряжение, ток, а также частота вращения.

Мотор-колесо

В последнее время в качестве двигателя для электромобиля инженеры используют систему мотор-колесо, правда, все чаще на концепт-карах. Исключением стал Volage – спортивный электромобиль, построенный силами Venturi и Michelin, который скоро поступит в продажу. Технология Active Wheel имеет ряд преимуществ. Все активные системы безопасности, такие как ABS, ESP, Brake Assist и Traction Control можно прошить в управляющий софт, после чего они смогут воздействовать на каждое колесо в отдельности. Добавим к этому мобильность системы и способность регенерировать энергию торможения.

Конечно, есть и недостатки. Попробуйте впихнуть кучу механизмов внутрь маленького обода. Если это и получится, то вес колеса увеличится, а это плохо скажется на управляемости, повысится износ подвески, увеличится передача вибрации на кузов. Идеальный вес автомобильного колеса должен составлять 10-30 кг. Инженерам Michelin удалось вписаться в эти рамки – тяговый электродвигатель Active Wheel весит всего 7 кг, а остальная механика системы укладывается в 11 кг.

Преимущества и недостатки электродвигателя

Преимуществ перед ДВС у электродвигателя много:

  • Малый вес и достаточно компактные размеры. К примеру инженеры Yasa Motors разработали мотор весом 25 кг, который может выдавать до 650 Нм.
  • Долговечность, простая эксплуатация.
  • Экологичность.
  • Максимальный крутящий момент доступен уже с 0 об/мин.
  • Высокий КПД.
  • Нет необходимости в коробки передач. Хотя, по мнению специалистов, электромобилю она не помешает.
  • Возможность рекуперации.

Существенных недостатков у самого электродвигателя нет. Но есть большие сложности в его питании. Несовершенство источников тока не дают пока что массово использовать электродвигатели в автомобилестроении. Но, как мы знаем, человеческий ум не любит преграды…

ecoconceptcars.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *