Как работает электродвигатель в автомобиле

Как работает электрический автомобиль?

Электромобилем является транспортное средство, приводимое в движение одним или несколькими электрическими двигателями. Внешне электрические автомобили выглядят точно также, как и бензиновые. Единственное, что выдает электромобиль во время его передвижении — это практически полное отсутствие звука при работе двигателя. Но хотя, внешне бензиновые и электрические автомобили очень схожи, по принципу своей работы они значительно отличаются.
Под капотом у электромобиля вместо бензинового двигателя установлен электромотор, который получает питание от аккумуляторных батарей. Батареи выполняют функцию «топливного бака» и обеспечивают

электрический двигатель энергией, необходимой для перемещения транспортного средства. Электромобиль также оснащен контроллером – блоком управления работой электродвигателя, который регулирует токи в сети между аккумуляторами и двигателем.

Все остальные компоненты в электрическом автомобиле практически те же, что и в бензиновом: коробка передач, тормоза, подушки безопасности и т.д.

Электрический автомобиль Subaru R1e, при максимальной дальности пробега на одном заряде 80 км,
способен разгонятся до 100 км/ч

Для того, чтобы понять принцип работы электромобиля, давайте рассмотрим механизм переоборудования типичного бензинового автомобиля на электрический.

Электромобиль, который отображен на фотографии, начал свою жизнь в роли обычного бензинового автомобиля Geo Prism. Для того, чтобы переоборудовать данное транспортное средство на электропривод, частично была изменена его внутренняя конструкция. Прежде всего, удалили бензиновый двигатель, глушитель, муфту сцепления, бензобак, выхлопные трубы. Механическую коробку передач оставили на месте для использования на второй передаче. Далее, установили контроллер и электрический двигатель переменного тока, вместо бензинового. Свинцово-кислотные аккумуляторы разместили на полу автомобиля. Заменили тормозную систему, и дополнительно конструируемый электромобиль оснастили водяным насосом, усилителем руля, системой кондиционирования. Вакуумный насос добавили для усиления тормозов.

Коробку переключения передач подключили таким образом, чтобы при движении рычага, передавались сигналы на контроллер. Также, электромобиль укомплектовали зарядным устройством для подзарядки аккумуляторов, установили вольтметр, два потенциометра, подключив их к педали акселератора и контроллеру.

Несмотря на то, что система работы автомобиля была изменена, механизм управления им остался практически неизменным.

В результате нехитрого переоборудования получили электромобиль с такими показателями работоспособности и характеристиками:
— диапазон пробега на одном заряде батарей – 80 км;
— разгон: от 0 до 96 км/ч за 15 секунд;
— количество энергии, необходимое для восстановления заряда аккумуляторных батарей: 12 кВт•ч;
— общий вес батарей: 500 кг.

Как устроен электрический автомобиль внутри?

Электрические автомобили довольно выгодны в эксплуатации. Очевидно, что «топливо» для электрических транспортных средств обходится потребителям намного дешевле, чем их заправка бензином. Несмотря на то, что пробег электромобилей на одном заряде батарей ограничен, это практически не заметно в процессе эксплуатации электрического транспортного средства, поскольку 50-60 км диапазона побега для большинства людей вполне достаточно для осуществления всех их ежедневных поездок. Единственным минусом электромобилей является довольно значительная стоимость аккумуляторов. Именно батареи являются на данным момент самым слабым звеном электрического автомобиля.

Основными электрическими комплектующими являются:
-электрическиский двигатель,
-контроллер,
-аккумуляторные батареи.

Контроллер принимает токи от батарей и подает их на электрический двигатель. Благодаря паре потенциометров (переменных резисторов), установленных на педали акселератора, обеспечивается формирование сигнала, подаваемого к контроллеру, о том, сколько энергии он должен доставить. Когда автомобиль останавливается, контроллер не подает токов на двигатель, во время же движения, при давлении на педаль акселератора (газа) контроллер обеспечивать подачу электрического тока на электромотор.

Контроллер считывает импульсы с потенциометров педали газа и, в соответствии с воспринимаемыми данными, регулирует мощность электродвигателя.

В целях повышения уровня безопасности в педали акселератора электрического автомобиля установлено два потенциометра. Контроллер, считывая информацию с них обоих, убеждается, что их сигналы равны. Если же контроллером будут выявлены даже малейшие различия в сигналах – он не реагирует ни на один из них.

В отличии от бензинового автомобиля, электрический является практически бесшумным устройством. Частота подаваемых контроллером импульсов составляет 15000 раз в секунду. Поскольку такой диапазон пульсации просто не реально уловить человеческим слухом, работа контроллера и электрического мотора остается практически бесшумной для человека.

Электрические двигатели и аккумуляторные батареи

Электрический двигатель – сердце электромобиля, его главная движущая сила. В основу работы электродвигателя заложен принцип электромагнитной индукции (явление, связанное с возникновение электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока). Электрический двигатель преобразовывает электрическую энергию в механическую. Коэффициент полезного действия современного электродвигателя составляет 85-95%.

Основными характеристиками электрического двигателя являются: мощность, максимальный крутящий момент, напряжение, ток и частота вращения.
Для комплектования электрического автомобиля могут использовать, как электродвигатели постоянного тока, так и переменного. Каждый из этих двигателей имеет свои преимущества и недостатки. Двигатель постоянного тока может работать от питания в 96V-192V. Двигателя переменного тока является трехфазным двигателем, питаемым переменным током.

В последнее время довольно популярным стало использование в электромобилях мотор-колес. Благодаря объединению в одной конструкции обычного колеса и электрического двигателя, обеспечивается хорошая управляемость транспортным средством.

Некоторые электродвигатели переменного тока при торможении транспортного средства способны работать в генераторном режиме, благодаря чему вырабатывается электрическая энергия, которая сохраняется в аккумуляторных батареях, и в дальнейшем используется для движения автомобиля (функция рекуперативного торможения). Система рекуперативного торможения позволяет увеличить диапазон пробега электромобиля до 15%.

Основными источниками энергии в электрических автомобилях являются аккумуляторные батареи. Довольно высокая цена на аккумуляторы – главная причина того, почему в мире до сих пор преобладают бензиновые автомобили. Удешевление аккумуляторных батарей значительно поспособствовало бы повышению популярности электротранспортных технологий.

Свинцово-кислотные батареи являются самым популярным и наиболее дешевым вариантом аккумуляторных батарей. Высокий уровень их популярности в мире связан также с тем, что эти аккумуляторы на 97% подлежат вторичной переработке. Никель-металлгибридные аккумуляторы имеют более высокую производительность, нежели свинцово-кислотные, но по цене они дороже. Литий-ионные батареи – идеальный вариант для электромобилей, поскольку они легкие, компактные и прекрасно сохраняют энергию. Однако, покупка литий-ионных батарей доступна не каждому, поскольку они являются наиболее дорогим видом аккумуляторов.

Часто в электрических автомобилях помимо батарей, обеспечивающих питание электродвигателя, устанавливается ещё один небольшой дополнительный аккумулятор, необходимый для работы автомобильных аксессуаров: фар, автомагнитолы, приборной панели, подушек безопасности, стеклоочистителей, электрических стеклоподъемников и иных устройств.

Зарядка электического автомобиля

Любой электрический автомобиль нуждается в системе подзарядки аккумуляторов. Зарядная система автомобиля позволяет восполнять энергию батарей практически в любом удобном для пользователя месте, где есть электрическая розетка. Данная система обеспечивает поступление к аккумуляторам электрической энергией с максимально допустимой для батарей скоростью. Во время зарядки зарядное устройство контролируют напряжение, силу тока и температуру в батареях.

Зарядное устройство может быть отдельным от конструкции электромобиля блоком, или же быть полностью интегрировано в электрический автомобиль.

© Сергей Вольтер 2013
Любое копирование, перепечатка и распространение материалов статей без разрешения правообладателя запрещены и преследуются по закону. Нарушение авторских прав будет рассматриваться согласно статьи 52 Закона Украины «О авторском праве и смежных правах», статьи 176 Криминального Кодекса Украины, статьи 432 Гражданского кодекса Украины, статьи 51-2 Кодекса Украины об административных правонарушениях.

• Электровелосипед
• Электроскутер
• Электромотоцикл
• Электроавтомобиль
• Необычный электротранспорт
• Аккумуляторы
• Аксесcуары
• Источники энергии
• Исторические факты
• Юмор
• Техобслуживание
• Тех. характеристики
• Блоги
• Новости компании

Электродвигатель – классификация и принцип работы двигателя электромобиля

Электродвигатель в современном мире сам по себе давно не является чем-то новым. Однако сейчас этот агрегат стал весьма популярным. И в первую очередь благодаря активному развитию электромобилей. Все чаще возникают дискуссии на тему преимуществ и недостатков электродвигателей, стоит брать или нет электрокар и т.п. В данной статье будут рассмотрены особенности электродвигателей, их разновидности, достоинства и недостатки, а также перспективы дальнейшего распространения.

Особенности конструкции и принцип работы электродвигателя

В основе действия любого электродвигателя заложен принцип электромагнитной индукции. Основное назначение электродвигателя заключается в превращении электрической энергии в механическую. Такое преобразование осуществляется посредством взаимодействия двух главных частей электромотора – статора (неподвижной части) и ротора (подвижная часть). После подачи питания образующееся в статоре магнитное поле оказывает воздействие на ротор, в результате чего последний начинает вращаться, откуда и создается крутящий момент.

Разновидности и классификация

Существует достаточно много различных электродвигателей, отличающихся по конструкции, принципу действия, характеристикам. Все их можно классифицировать следующим образом.

Двигатель постоянного тока (ДПТ):

• коллекторный (наличие щеточно-коллекторного узла):
  • с постоянными магнитами;
  • с последовательным возбуждением (последовательная обмотка статора);
  • с параллельным возбуждением (обмотка статора и якоря соединяется параллельно);
  • с независимым возбуждением (обмотка статора питается из независимого источника тока);
  • со смешанным возбуждением (используется параллельное и смешанное подключение).

  Двигатель переменного тока:

  • синхронный (ротор и статор вращаются синхронно);
  • асинхронный (ротор и статор вращаются асинхронно):
    • однофазный;
    • двухфазный;
    • трехфазный;
    • многофазный

    Двигатель постоянного тока для электромобиля – первый и самый бюджетный вариант электродвигателя. При этом, как правило, используется бесколлекторный двигатель для электромобиля. Более современные и дорогостоящие – асинхронные двигатели.

    Дополнительная информация. Использовать асинхронный двигатель для электромобиля – одно из ключевых решений инженеров Tesla. В результате мощный двигатель электромобиля Тесла стал залогом динамичности этих электрокаров, что, во многом, и обеспечило выбор потребителей.

    Особенности синхронных и асинхронных двигателей

    Синхронные двигатели характеризуются следующими особенностями.

    • постоянная скорость вращения;
    • высокий КПД;
    • небольшая реактивная составляющая;
    • возможность работать с перегрузкой.
    • высокая цена;
    • сложная конструкция;
    • сложная система запуска;
    • потребность в наличии источника постоянного напряжения;
    • сложность регулировки.

    Асинхронные двигатели характеризуются следующими моментами.

    • простая схема пуска (непосредственно к электросети);
    • допустимость перегрузок (но кратковременных);
    • возможность получать высокую мощность двигателя;
    • несложная конструкция;
    • достаточно простое техническое обслуживание;
    • невысокая стоимость.
    • ограничение предельной скорости вращения (не может превышать 3000 об/мин);
    • высокие пусковые токи;
    • сложность регулировки частоты вращения.

    Классификация электромобилей по типу использования электродвигателя

    Гибриды (Hybrids Electric Vehicle или HEV) – это первые шаги в построении электромобиля. Такую машину сложно назвать электрокаром в полном смысле этого слова, поскольку ДВС (бензиновый или дизельный движок) в них по-прежнему выступал в качестве основного агрегата. Тогда как электродвигатель играл второстепенную роль и заряжался от энергии ДВС. Соответственно и запас хода такого электродвигателя был совсем небольшой. Хотя на поздние модели гибридов устанавливалась уже более емкая батарея, продажа таких машин не отличалась большим спросом. Причиной являлась сложная и достаточно дорогая в обслуживании система.

    Плагин-гибриды (Plug-in Hybrid Electric Vehicle или PHEV) также имели одновременно ДВС и электромотор, однако в них уже предусматривалась возможность заряжать батарею от обычной бытовой розетки. Благодаря увеличенной мощности батареи, запас хода плагин-гибрида на электродвигателе мог достигать 80 км.

    «Гибрид наоборот» (Range-Extended Electric Vehicle или REEV) – электрокар, в котором также используется два двигателя, однако электрическая установка является главной, а ДВС – второстепенным. В таких машинах ДВС используется только для выработки энергии для электродвигателя. Такая конструкция, с одной стороны, экономит топливо при использовании электродвигателя, а с другой легко решает проблему ограниченности пробега, поскольку АЗС можно найти практически везде.

    Классический электромобиль (Battery Electric Vehicle или BEV) – авто, которое передвигается исключительно за счет энергии, вырабатываемой электрической силовой установкой. Экологически (или почти экологически) чистый транспорт, который в настоящее время набирает свою популярность. Зарядка электродвигателя возможна на специализированных электрозаправках, от бытовой розетки или мобильных станций.

    Электромобиль на топливных элементах (Fuel Cell Electric Vehicle или FCEV). Как видно из названия, источником энергии для электродвигателя здесь выступает не батарея, а топливный элемент (сжатый водород).

    Двигатель-колесо

    Двигатель-колесо или по-другому мотор-колесо – комплексная система, которая состоит из следующих агрегатов: колесо, электродвигатель, силовая передача. Также может дополнительно использоваться тормозная система. Впервые концепция такого устройства появилась еще в 1884 году. Такая система получает питание от аккумулятора (на гибридах – от ДВС). При этом электрический двигатель имеет два режима работы – тяговый (приведение колеса в движение) и генераторный (фактически является системой рекуперации, при которой энергия торможения применяется для зарядки аккумуляторной батареи).

    Такая система достаточно часто используется на электровелосипедах, гироскутерах, электросамокатах и т.п. В последнее время на нее обратили внимание и в автомобилестроении, благодаря следующим его преимуществам:

    • отсутствие большого количества оборудования;
    • отличная динамика;
    • упрощение системы рекуперации;
    • возможность использовать как в двигателях с ДВС, так и в электрокарах.

    Преимущества и недостатки электродвигателей

    К числу преимуществ электродвигателей относятся следующие:

    • высокий КПД (примерно 90-95%);
    • отсутствие потерь на трение трансмиссии;
    • максимальный крутящий момент сразу при запуске;
    • низкие эксплуатационные затраты;
    • экологичность;
    • простота конструкции;
    • возможность торможения двигателем;
    • отсутствие коробки передач;
    • низкий уровень шума.

    К числу недостатков таких двигателей относятся:

    • ограниченная по времени работа в автономном режиме;
    • необходимость наличия источника питания (аккумуляторы, зарядные станции);
    • длительное время зарядки.

    Обратите внимание. Именно указанные проблемы пока что сдерживают широкое распространение электромобилей. И если вопрос со временем зарядки уже частично решен (появились станции, поддерживающие стандарт быстрой зарядки), то проблема с ограниченным ресурсом пробега на одной зарядке остается актуальной.

    Перспективы развития электродвигателей

    Рассуждая о перспективах электродвигателей, стоит отметить тот факт, что сегодня очень много устройств, как бытовых, так и промышленных, имеют электродвигатель. Появление электромобилей дало новый толчок развитию электродвигателя.

    Важно. Сейчас постоянно проводятся исследования, целью которых является сделать двигатель на электромобиль лучше: повысить мощностные и эксплуатационные характеристики, улучшить КПД, продлить срок службы, оптимизировать устройство двигателя электромобиля. Популярное и крайне важное дело – улучшение экологической ситуации в мире – также будет способствовать тому, что двигатель для электромобиля будет развиваться и дальше, ведь он намного экологичнее, чем автомобиль с ДВС.

    Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что электродвигатель, был, есть и будет. По крайней мере до тех пор, пока не изобретут какой-либо совершено новый тип двигателя.

    26.02.2021 16:54

    • КУПИТЬ ЗАРЯДНУЮ
      СТАНЦИЮ
    • СТАТЬ КЛИЕНТОМ
      ТОКА
    • ТАРИФЫ В СЕТИ
      ТОКА
    • КАРТА ЗАРЯДНЫХ
      СТАНЦИЙ
    • МОБИЛЬНОЕ
      ПРИЛОЖЕНИЕ

    Двигатель электрический для электромобиля, прошлое, настоящее и будущее

    

    Где применяется электрический автомобильный двигатель

    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.

    Двигатель электромобиля, гибридного авто

    

    Электродвигатель (тяговый электромотор, двигатель на электротяге) – мотор, который устанавливается на электротранспорт и гибридные автомобили. У электромобилей электродвигатель – единственный двигатель. У гибридных автомобилей электродвигатель работает в тандеме с двигателем внутреннего сгорания. В зависимости от выбранного режима работы и схемы автомобиля включается электромотор, бензиновый двигатель или два двигателя одновременно.

    По планам многих автоконцернов – именно за тяговым двигателем для электромобиля – будущее. Так известно, что в плане развития известного гиганта Bentley Motors значится, что к 2030-му году компания полностью трансформируется в производителя электроавтомобилей. На электродвигатели ставки также делают такие известные на весь мир компании, как Nissan, Volvo, Aston Martin.

    Тенденции таковы, что в массовом производстве сейчас больше представлены легковые электромобили и городской электротранспорт (согласно планам, в ряде таких стран как, к примеру, Франция и Норвегия в 2025-2030-м гг. автобусы в городах будут полностью заменены на электротранспорт).

    Но чувствуется интерес и к установке электромоторов на грузовой транспорт. Особенно электродвигатели интересны производителям городских развозных фургонов, терминальных тягачей и коммунальных грузовиков.

    На весь мир уже хорошо известен седельный тягач капотного типа Tesla Semi, в коммунальном хозяйстве США активно не первый год используют мусоровозы PETERBILT на электротяге, в Евросоюзе возрастает интерес к седельному тягачу с электродвигателем Emoss Mobile Systems B.V. и Renault Trucks –развозному автомобилю для продуктов.

    На постсоветском пространстве свой коммерческий электротранспорт пока только начинает появляться, но уже активно говорят про грузовик МАЗ-4381Е0 (на грузовике установлен асинхронный тяговый электродвигатель мощностью 70 кВт (95 л.с.), ориентированный на транспортировку грузов в черте города, и электрогрузовик Moskva опытно-конструкторского бюро Drive Electro (главное назначение — доставка товаров в магазины). Не за горами время, когда этот коммерческий транспорт с электромоторами будет активно востребован автопарками, логистическими центрами, предприятиями.

    Также, безусловно, давно, как данность мы принимаем, что на электродвигателе работают трамваи, троллейбусы, погрузчики на складах и локомотивы. Трёхфазный асинхронный двигатель помогает двигаться на давно полюбившихся поездах «Ласточка» и «Сапсан».

    Принцип работы

    Принцип работы двигателя электромобиля основан на преобразовании электроэнергии в механическую энергию вращения. Главные участники преобразования энергии – статор и ротор.

    Как работает традиционный электромотор?

    

    1. Магнитное поле статора действует на обмотку ротора.
    2. Возникает вращающий момент.
    3. Ротор начинает двигаться.

    Наглядная схема двигателя электромобиля в системе электропривода представлена ниже:

    

    Важная особенность классического электрокара – отсутствие дифференциала, коробки передач, передаточных устройств с шестеренками. Энергия от электромотора поступает прямо на колеса.

    Без коробки передач – и большинство «гибридов» с электродвигателем и ДВС. Исключение – «гибриды» с параллельной схемой передачи на колёса крутящего момента. К ней мы ещё вернёмся в этой статье в разделе, посвящённом гибридным автомобилям.

    Принцип работы любого электродвигателя базируется на процессах взаимного притяжения и отталкивания полюсов магнитов на роторе и статоре. Движение осуществляется под действием самого магнитного поля и инерции.

    

    Устройство

    Как устроен двигатель электромобиля?

    При описании принципа работы электродвигателя, уже было упомянуто, что главные компоненты двигателя электромобиля– ротор и статор.

    1. Ротор – это вращающийся компонент двигателя.
    2. Статор находится в неподвижном состоянии. Он ответственен за создание неподвижного магнитного поля.

    Ротор

    Классический ротор автомобиля состоит из сердечника, обмотки и вала. У некоторых электродвигателей в состав ротора также входит коллектор.

    • Сердечник – это металлический стержень, на периферии которого располагается обмотка. Непосредственно через сердечник происходит замыкание магнитной цепи электродвигателя. Сердечник изготавливается из стальных пластин круглой формы. По структуре похож на слоёный пирог. При производстве сердечников используют изолированные листы стали с присадками кремния. В этом случае обеспечены увеличение КПД электродвигателя, наименьшие удельные потери в металле на единицу массы, снижение величины размагничивающих вихревых токов Фуко, которые возникают из-за перемагничивания сердечника. На поверхности сердечника есть продольные пазы. Через них прокладывается обмотка.
    • Вал – металлический стержень, который непосредственно передаёт вращающий момент. Также изготавливается из электротехнической стали. Служит основой для насаживания сердечника. На концах вала есть резьба, выемки под шестерёнки, подшипники качения, шкивы.
    • Коллектор – блок, крепящийся на валу. Представляет собой систему медных пластин. Изолирован от вала. Служит выпрямителем переменного тока, переключателем-автоматом направления тока (в зависимости от вида электродвигателя).

    Статор (индуктор)

    Статор состоит из станины, сердечника и обмотки:

    • Станина статора – корпус статора. Как правило, корпус бывает алюминиевым или чугунным. Алюминиевые станины популярны у электродвигателей легковых авто, чугунные – у спецтехники, которая вынуждена работать в условиях высокой вибрации. Станина служит базой крепления основных и добавочных полюсов.
    • Сердечник статора – цилиндр из профилированных стальных листов. Фиксируется винтами внутри станины. Снабжён пазами для обмотки.
    • Обмотка. Создаёт магнитный поток. При пересечении проводников ротора наводит в них электродвижущую силу.

    Виды

    Электродвигатели классифицируют по типу питания привода, конструкции щеточно-коллекторного узла, количеству фаз для запитывания:

    • По типу питания привода. Устройства делятся на моторы переменного и постоянного тока. Двигатели постоянного тока способны обеспечить более точную и плавную регулировку оборотов, высокий КПД. Двигатели переменного тока выручают, когда важна высокая перегрузочная способность. Это удачный вариант для подъёмно-транспортных машин. Впрочем, существуют и универсальные моторы, которые функционируют от переменного и постоянного тока.
    • По конструкции щеточно-коллекторного узла. Выпускаются бесколлекторные и коллекторные моторы. Бесколлекторный мотор работает за счёт движения ротора с постоянным магнитом. У конструкции нет щеточно-коллекторного узла. Решение обеспечивает достойный крутящий момент, широкий диапазон скоростей и высокий КПД. Важные преимущества бесколлекторного мотора – надёжность, способность к самосинхронизации, возможность подпитываться при переменном напряжении. Ресурс бесколлекторного мотора ограничен исключительно ресурсом подшипников. У коллекторных моторов присутствует щелочно-коллекторный узел. Удобство решения связано с тем, что он может использоваться и в качестве переключателя тока в обмотках, и как извещатель положения ротора, нет необходимости в контролле. Проблема коллекторных моделей – в том, что они зависимы от постоянных магнитов, которые, как известно, со временем, к огромному сожалению, теряют свои свойства.
    • По количеству фаз для запитывания. В зависимости от того, как запитывается обмотка, электродвигатели бывают однофазными и трёхфазными. В автомобилестроении широкое распространение получили трёхфазные решения, это связано с рядом технических характеристик (мощность, перегрузочная способность, частота вращения на холостом ходу).

    Асинхронные и синхронные двигатели

    Синхронные моторы – двигатели переменного тока, у которых частота вращения ротора идентична частоте вращения магнитного поля (измерение производится в воздушном зазоре). В автомобилестроении синхронные моторы встретить можно нечасто (хотя в мире техники – это, в целом, очень популярное решение – особенно в климатотехнике, насосных системах).

    Но есть производители авто, которые при производстве электрокаров предпочитают устанавливать на свои машины именно синхронные двигатели. Яркий пример – концерн Renault. Синхронными двигателями на электромагнитах он оснастил электрокар Renault Zoe. На электромагниты подаётся постоянный ток. Полярность магнитов ротора стабильна. Полярность магнитов статора при этом изменяется и обеспечивает бесперебойное вращение.

    Преимущество синхронных двигателей на электромагнитах у авто – максимальная оптимизация рекуперации энергии торможения. И главный «конёк» авто с таким типом электродвигателя – полная безопасность при буксировке.

    Гораздо более популярный вариант – асинхронные двигатели. Это двигатели переменного тока, у которых потенциал напряжения – магнитного поля не совпадает с частотой вращения ротора. Типичным 3-фазным асинхронным двигателем оснащены, например, хорошо известные автомобили Tesla S и Tesla Х.

    Иногда асинхронные моторы называют индукционными, так как в роторе в соответствие с законом Ленца у них индуцируется электромагнитная сила.

    Двигатель-колесо

    Обособленно среди электромоторов стоит двигатель-колесо. Особенность двигателя- колеса – ориентир крутящего момента и силы напряжения на конкретное колесо.

    Такие решения можно встретить в плагин-гибридных автомобилях («гибридах» с параллельной схемой, при описании устройства гибридных авто ниже по тексту мы остановимся на них подробнее). Работает двигатель-колесо в паре с ДВС.

    У первых плагин-гибридных автомобилей с двигателем-колесом агрегат был монтирован в ступицу колеса, а работа осуществлялась исключительно в паре с внутренним зубчатым редуктором.

    Некоторые же современные модели моторов, монтируемые внутри колёс, вполне могут работать без зубчатого редуктора. Это увеличивает управляемость, позволяет избежать увеличения удельного веса шасси, уменьшить риски, повышает КПД.

    

    Преимущества и недостатки электродвигателей

    Преимуществ у электродвигателей существенно больше, нежели недостатков. Более того, за счёт усовершенствования и конструктивных особенностей самих электроприводов, и инфраструктуры, связанной с зарядкой, многие вещи, которые вчера ещё казались критичными, сегодня теряют свою актуальность.

    Преимущества

    

    • Не требуется «раскачка». Крутящий момент достигает максимума непосредственно при включении. Именно по этой причине электрический двигатель электромобиля не требует наличия стартеров и сцеплений – неотъемлемых спутников ДВС.
    • Удобство. Для включения заднего хода (то есть коррекции со стороны вращения мотора) достаточно поменять полярность, сложная коробка передач не требуется.
    • Высокий КПД. У машин с электродвигателями он достигает 95 %.
    • Независимость. На любой отметке скорости достигается максимальный показатель крутящего момента.
    • У мотора – малый вес. Производители могут себе легко позволить создавать компактные автомобили.
    • Есть все возможности для рекуперации энергии торможения. Если у авто с ДВС кинетическая энергия просто уходит в колодки (и стирает их), то у электромобиля в режиме рекуперации мотор может функционировать как генератор. В режиме генерации электроэнергия просто трансформируется в другую форму и быстро накапливается в АКБ. Особенно решение эффективно для транспортных средств с длинным тормозным путем. На объём генерируемой и накопленной энергии существенно влияет маршрут (рельеф, в частности наличие холмистых участков на дороге и уклон дороги).
    • Снижение расходов на эксплуатацию машины. Зарядку можно производить от электросети. Это существенно дешевле, нежели использование дизеля, бензина. Выгода очевидна даже по сравнению с бензиновыми авто эконом-класса.
    • Малый уровень шума.
    • В большинстве случаев для мотора не требуется принудительное охлаждение.
    • Экологичность. Использование транспорта с электродвигателем снижает количество выхлопных газов в воздухе.

    Недостатки

    Долгое время считалось, что самый большой минус использования электродвигателя – его зависимость от аккумуляторов, которые быстро выходят из строя. Теперь это неактуально. Современные батареи электрокаров, представленных в массовом выпуске, гарантируют пробег автомобиля 150-200 тыс. км. Потерял актуальность и тот фактор, что машины с электродвигателем существенно уступают бензиновым по мощности. Электротяга современных электромоторов уже не уступает ДВС.

    Поэтому недостатки электродвигателей сейчас правильно свести не к недостаткам конструкции, а к плохо развитой инфраструктуре для того, чтобы подзаряжать электромобили. Если в США, Скандинавии подзарядить электрокар легко, то до недавнего момента даже в Западной и Центральной Европе с инфраструктурой для подзарядки таких машин были проблемы.

    В России, Беларуси, Украине, Казахстане, пока, увы, с инфраструктурой ситуация ещё хуже. Хотя, например, в России число заправок для электрокаров с 2018 по 2020 год возросло в 3 раза, но полотно покрытия площадками для зарядки очень неоднородное. В Москве – более плотное, в регионах – слабое. Даже разрыв с такими городами-гигантами как Санкт-Петербург и Челябинск — колоссальный.

    Устройство электромобиля

    Рассматривая электродвигатель, важно остановиться на устройстве электромобиля в целом, изучение электродвигателя не самого по себе, а как части системы электропривода, где электродвигатель – один из его базовых компонентов, его «сердце». Но «организм», функционирует только тогда, когда в порядке все другие «органы» – части электропривода:

    • Аккумуляторная батарея.
    • Бортовое зарядное устройство. Его функция – обеспечение возможности заряжать аккумуляторную батарею от бытовой электрической сети.
    • Трансмиссия. Распространены трансмиссия с одноступенчатым зубчатым редуктором (чаще всего встречающийся и наиболее простой вариант) и бесступенчатая трансмиссия с гидротрансформатором (для старта с места), плавно изменяющие отношение скоростей вращения и вращающих моментов мотора и ведущих колес транспортного средства во всём рабочем диапазоне скоростей и тяговых усилий.
    • Инвертор. Назначение инвертора – трансформирование высокого напряжения постоянного тока аккумулятора в трехфазное напряжение переменного тока.
    • Преобразователь постоянного тока. Функция – зарядка дополнительной батареи, которая используется для системы освещения, кондиционирования, аудиосистемы.
    • Электронная система управления (блок управления). Отвечает за управление функциями, связанными с энергосбережением, безопасностью комфортом. В её «подчинении» – оценка заряда АКБ, оптимизация режимов движения, регулирование тяги, контроль за использованной энергией и за напряжением, управлением ускорением и рекуперативным торможением.

    

    Аккумуляторная батарея

    Аккумуляторная батарея (аккумулятор) – один из наиболее дорогих компонентов системы. По своей значимости играет такую же роль, как бензобак для ДВС. Электромобиль движется за счёт электричества, полученного от электросети во время зарядки и хранящегося в АКБ.

    При этом важно помнить, что у большинства электромобилей устанавливаются одновременно два аккумулятора: один тяговой – он питает именно мотор и стартерный (как и в машинах с ДВС, он помогает системе освещения, системе подогрева). Эти аккумуляторы разные не только по назначению, но и техническим характеристикам.
    Тяговый аккумулятор электрического двигателя электромобиля предназначен для питания мотора, запуска двигателя. У него нет высокого пускового тока, но он заточен на длительную работу, выдерживает большое количество циклов заряда-разряда.

    Типичная тяговая АКБ – моноблочная секционная конструкция. Тяговая АКБ состоит из толстых электронных пластин – пористых сепараторов и электролитного вещества.
    Самые распространенные аккумуляторы – литий-ионные. У них – наиболее высокая энергетическая плотность, не требуется обслуживание, достаточно низкий саморазряд.

    Устройство и особенности гибридных систем

    Свои особенности – у гибридных систем. В гибридных системах электродвигатель может рассматриваться и как «партнёр» ДВС, и как допэлемент, помогающий добиться экономии топлива и при этом повышения мощности.

    

    Устройство «гибрида» отличается в зависимости от реализованной схемы передачи на колёса крутящего момента.

    

    • Параллельная. Аккумуляторы передают энергию электромотору, бак – топливо для ДВС. Оба агрегата равноправны и способны создать условия для перемещения авто. Но работает такая схема только при наличии коробки передач. Параллельная схема успешно реализована у автомобиля Honda Civic. Нередко гибриды с параллельной схемой выделяют в отдельную группу и называют плагин-гибридными.

    

    • Последовательная. Любое действие начинается с включения ДВС. Он же отвечает за последующие действия: поворот генератора для запуска электромотора, зарядку аккумуляторов.

    

    • Последовательно-параллельная. Через планетарный редуктор соединены ДВС, электродвигатель и генератор. В зависимости от условий движения может использоваться тяга электродвигателя или ДВС. Режим выбирается программно системой управления транспортного средства. Среди хорошо известных последовательно-параллельных «гибридов» – Toyota Prius, Lexus-RX 400h.

    Классический гибридный автомобиль использует интегрированный в трансмиссию электрический мотор-генератор.

    При этом для получения электрической тяги у гибридных систем задействованы четыре базовых компонента:

    

    • Мотор-генератор. Является обратимой силовой установкой. Может работать в двух режимах: непосредственно тягового мотора и генератора для зарядки высоковольтной аккумуляторной батареи. При работе в режиме мотора возможно создание крутящего момента и мощности, которых хватит для старта и движения автомобиля с выключенным ДВС, при работе устройства в режиме генератора продуцируется высоковольтная электроэнергия.
    • Высоковольтные силовые кабели. Изолированные электрические кабели большого сечения. Важны для переноса энергии между компонентами высоковольтных электроцепей.
    • Высоковольтные аккумуляторные батареи. Включенные в последовательную цепь аккумуляторные элементы. Позволяют накопить в батарее большой объём электроэнергии.
    • Высоковольтный силовой модуль управления для управления потоком электроэнергии для движения транспортного средства на электрической тяге.

    Гибридные авто открывают новые эксплуатационные возможности, с одной стороны можно быть максимально экологичным, радоваться комфортной езде и сэкономить на топливе, а с другой стороны, при разряде аккумулятора владелец авто не попадёт впросак, если невозможно подзарядить мотор: в работу вступит ДВС.

    Перспективы применения электродвигателей в автомобилях

    Перспективы применения электродвигателей в автомобилях напрямую связаны с тем, насколько активно будет развиваться инфраструктура. Там, где она не обеспечена, использование электрокаров действительно ограничено. Ведь без подзарядки у многих авто – малая дальность пробега.

    Впрочем, даже последняя проблема активно решаемая. Немецкие и японские разработчики (компании DBM Energy, Lekker Energie, Japan Electric Vehicle Club) сумели доказать миру: потенциал у электродвигателей, аккумуляторов без подзарядки может достигать 500 -1000 тысяч километров пробега. Правда, пока что 1 000 тысяч км пробега без подзарядки возможны только в теории, а 500-600 уже на практике.

    На данный момент доступность такого транспорта – на уровне инженерно-конструкторской работы, экспериментальных выпусков, но есть перспективы что их подхватят автогиганты, и не за горизонтом – серийное производство.

    Перспективы применения электродвигателей в автомобилях очень тесно связаны и с политикой отдельных государств. Например, в Норвегии обладатели электромобилей освобождены от уплаты ежегодного налога на транспорт, пользования платными дорогами, паромными переправами и даже большинством парковок. С учётом того, что налоги и тарифы в Скандинавии одни из самых высоких, мотивация приобрести именно авто с электродвигателем, а не ДВС – очень высокая.

    Внизу представлены фото, отражающие продукт «Сенсис Инжиниринг, предназначенный для аудита и аттестации. Продукт реализован на базе LMS Moodle.
    
    

    Похожие публикации:

    1. Где находится датчик давления масла на двигателе 6g72
    2. Как отрегулировать карбюратор на ваз 2108
    3. Как убрать дорожную краску с кузова автомобиля
    4. Переменный резистор как делитель напряжения