Основные типы электродвигателей устанавливаемые в электромобили
Если вы интересуетесь и глубоко погружены в технологию двигателей внутреннего сгорания, то должно быть наслышаны о множестве различных концепций и конструкций. Безнаддувные двигатели, двигатели с турбонаддувом, непосредственный впрыск, непрямой впрыск или как прямой, так и непрямой впрыск. Бензин, дизель, СПГ, СНГ, цикл Аткинсона, цикл Миллера, цикл Будэка, цикл Дизеля и цикл Отто (см. двигатель Mazda Skyactiv-X). Турбо с фиксированной геометрией, турбо с изменяемой геометрией, турбо с двойной прокруткой, регулируемые фазы газораспределения… список можно продолжать.
Почти автоматически возникает вопрос: почему у нас так много конструкций и концепций двигателей внутреннего сгорания? Ответ прост — потому что ни один из них не является достаточно эффективным. В поисках повышения эффективности инженеры внедряли множество конструкций на протяжении всей истории автомобилестроения. Актуально ли такое разнообразие и для электродвигателей? Сколько типов двигателей используется в электромобилях? Спойлер, основных конструкций только 3. Ниже предлагаем подробней с ними познакомиться.
Асинхронный(индукционный) двигатель — Краткий урок истории.
Асинхронный(индукционный) двигатель не является чем-то новым. Он был изобретен двумя независимыми исследователями — единственным и неповторимым Николой Теслой и Галилео Феррарисом. Несмотря на то, что итальянский изобретатель впервые разработал этот двигатель в 1885 году, Никола Тесла первым подал заявку на патент в 1888 году.
Изобретение асинхронного двигателя, без сомнения, является одним из величайших достижений в использовании электричества. Внедрение этого типа двигателя настолько широко распространено в наши дни, что без него очень трудно представить повседневную жизнь. Эти двигатели используются во многих электрических устройствах, и подавляющее большинство промышленных двигателей относятся именно к этому типу.
Как работает асинхронный(индукционный) двигатель?
Все электродвигатели состоят из двух основных частей. Статическая часть называется статором, а вращающаяся часть называется ротором. Начнем со статора — обычно это стальной цилиндр с прорезями(пазами) и медными катушками(обмоткой), сплетенными с определенной геометрией. Эти катушки питаются трехфазным переменным током, который был преобразован из постоянного тока (обеспечиваемого аккумулятором) в силовой электронике. Этот ток последовательно подающийся на фазы, создает вращающееся магнитное поле в статоре, и скорость этого вращающегося магнитного поля называется синхронной скоростью.
По сути, вот как работает этот тип двигателя: переменное напряжение подается на медные катушки (или обмотки), и в результате мы получаем магнитное поле, это поле индуцирует напряжение в роторе, которое, в свою очередь, вызывает протекание тока. Этот поток тока создает собственное магнитное поле уже в роторе, которое отстает от магнитного поля статора. Сила между двумя магнитными полями, которые приводят в движение ротор, называется силой Лоренца. Затем движение ротора передается на колеса автомобиля через соответствующий редуктор.
Этот двигатель называется асинхронным, потому что вращающееся магнитное поле ротора и статора не синхронизированы. Индукционная часть возникает из-за вращающегося магнитного поля, напряжения и тока, индуцируемых статором. Когда мы нажимаем педаль акселератора, магнитное поле ротора немного отстает от поля статора. Когда мы замедляемся и двигатель работает как генератор (рекуперативное торможение), то вращающееся магнитное поле ротора опережает статор. Эта разница во вращающихся магнитных полях называется «скольжением» и обычно составляет до 5 % в зависимости от конструкции двигателя.
Типичный КПД трехфазного асинхронного двигателя, используемого в автомобильной промышленности, составляет около 90%. Благодаря своей надежности, простоте, долговечности и отсутствию требований к экзотическим материалам этот двигатель используется почти исключительно в промышленных процессах. Кроме того, его хорошие характеристики перегрузки делают его идеальным подключаемым двигателем, поэтому его часто используют в качестве переднего двигателя в электромобилях с полным приводом.
Плюсы
- Высокая эффективность;
- Стоимость производства;
- Нет необходимости в редкоземельных материалах;
- Высокая надежность.
Минусы
- Большие потребности в охлаждении;
- Относительно невысокая удельная мощность;
- Более низкий КПД по сравнению с другими электродвигателями.
Некоторые из моделей, использующих асинхронные двигатели: Audi e-Tron, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, X и Y на передних осях, автомобили VW Group на платформе MEB также используют их на передних осях.
Синхронный двигатель с постоянными магнитами
Принципиальное различие между асинхронными двигателями и синхронными двигателями с постоянными магнитами заключается в способе создания и взаимодействия вращающихся магнитных полей в роторе и статоре. В синхронных двигателях с постоянными магнитами в роторе имеется собственное вращающееся магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами (отсюда и название двигателя). Вращающиеся магнитные поля ротора и статора в этих двигателях фиксированы, и скольжение отсутствует.
Постоянные магниты в роторе являются одним из ключевых элементов, повышающих удельную мощность и эффективность электродвигателя. Большая удельная мощность означает её высокую показатель при малом объеме, поэтому двигатели с постоянными магнитами активно используются в гибридах(PHEV). Электродвигатель в этих транспортных средствах часто размещают в коробке передач, из-за этого появляются ограничения по пространству.
Постоянные магниты изготавливаются из редкоземельных материалов. Также возникают вопросы об этических аспектах процесса добычи, и по этой причине многие производители стараются сократить использование этих материалов в своих двигателях. Тем не менее, синхронный двигатель с постоянными магнитами является лидером по КПД — он может достигать 94-95%. Когда в электромобиле применяют только один электродвигатель, то используется именно этот тип двигателя.
Плюсы
- Очень высокая эффективность;
- Меньшие потребности в охлаждении;
- Высокая удельная мощность.
Минусы
- Высокая стоимость производства;
- Потребность в редкоземельных материалах;
- Существует(теоретически) опасность размагничивания.
Двигатели с постоянными магнитами используются в Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X и Y на задних осях. Автомобили VW Group на MEB платформе также используют их на задних мостах, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT и Porsche Taycan, и это лишь некоторые модели.
Синхронный двигатель с электрическим возбуждением
Синхронные двигатели с постоянными магнитами обеспечивают наилучшую эффективность из всех, но редкоземельные материалы, необходимые для их производства, имеют свои ограничения. Для решения этих проблем некоторые производители, а именно BMW, Renault Groupe и Smart в настоящее время, используют гибридную конструкцию двигателя — они используют синхронные двигатели, для которых не требуются редкоземельные материалы.
Итак, как работают эти двигатели? Что ж, вместо использования постоянных магнитов в роторе для создания тока в этих двигателях используются щетки и контактные кольца. По данным BMW, этот тип двигателя обеспечивает КПД до 93%, что очень близко к КПД двигателей с постоянными магнитами. Несмотря на то, что этот тип двигателя кажется очень многообещающим, тот факт, что в нем используются щетки, означает, наличие ещё одного компонента нуждающегося в контроле(замене в случае поломки). Будем надеяться, что производители, разрабатывающие такого рода моторы, используют щетки с достаточно долгим сроком службы.
Плюсы
- Очень высокая эффективность;
- Дешевле в производстве, чем вариант с постоянными магнитами;
- Отсутствие риска размагничивания;
- Нет необходимости в редкоземельных материалах.
Минусы
- Щетки обладают своим сроком эксплуатации.
Этот тип двигателя используется в BMW iX3, iX, i4, а еще в Renault Megane E-TECH и SMART EQ.
Почти способен синтезировать обратный захват серотонина.
