Принцип работы электродвигателя автомобиля
Какие бывают электродвигатели для авто
Какие бывают электродвигатели, сегодня стоит знать каждому автомобилисту. И не только из-за увеличения популярности электромобилей. Ведь электромоторы есть на борту всех современных автомобилей.
Итак, какие бывают электродвигатели? Один из стереотипов состоит в том, что все они простые. Если сравнивать с двигателями внутреннего сгорания, это можно считать правдой. Хотя бы потому, что электродвигатель имеет гораздо меньше движущихся деталей, и требования к материалам, технологиям и точности их изготовления намного ниже.
Так работает простейший двигатель постоянного тока – полюса ротора (якоря) и статора отталкиваются друг от друга, вращая вал
Принцип действия
Если в привычном нам ДВС коленвал вращается благодаря энергии расширяющихся газов, которые толкают поршень, то вал электродвигателя вращается благодаря явлению магнитной индукции – силовым полям, которые возникают около проводников с электрическим током. Чтобы сделать эти поля сильными и управляемыми, проводники собраны в обмотки, размещенные на статоре (неподвижная часть электромотора) и роторе (он же якорь, подвижная, вращающаяся часть).
Упрощенно говоря, при подаче напряжения на клеммы двигателя на его статоре и роторе возникают магнитные поля. Они отталкиваются друг от друга, заставляя ротор смещаться относительно статора – проворачиваться. Благодаря наличию коллектора (об этом ниже) или переменному току (и об этом ниже), поле одной из обмоток – ротора или статора – также начинается вращаться, “догоняя” второе из полей. Поэтому ротор вращается до тех пор, пока не будет отключена одна из обмоток и вокруг нее не исчезнет магнитное поле.
Двигатель переменного тока устроен очень похоже. Но в автомобилях “переменка” используется только в тяговых электродвигателях
Как ДВС делятся на бензиновые и дизельные, так электромоторы делятся на моторы переменного и постоянного тока. Отличия довольно существенные, хотя суть одна: вал ротора, с которого снимается нагрузка, вращается благодаря взаимодействию магнитных полей ротора и статора. Тип тока (постоянный или переменный) влияет на способ управления оборотами, смену направления вращения, эксплуатационные и тягово-скоростные характеристики электромотора.
Такие миниатюрные моторчики постоянного тока применяются не только в игрушках, но и в сервоприводах настоящих автомобилей. Естественно, с редуктором и соответствующего качества
Поскольку в 12-вольтной сети обычного автомобиля используется постоянный ток, то и двигатели на его борту – постоянного тока. Это в первую очередь мощный (иногда более 1 л.с.) электромотор стартера, привод электроусилителя руля, “движки”, приводящие во вращение вентиляторы радиатора и климатической установки, стеклоочистители. Маленькие моторчики спрятаны в актуаторах центрального замка, в приводах зеркал, сервомеханизмах регулировках сидений и руля, в насосе омывателя.
Достоинства электродвигателей постоянного тока автомобильного назначения – в компактности и большом крутящем моменте с самых малых оборотов, недостатки – в ограниченной мощности и моменте, а также в наличии коллекторно-щеточного узла, который имеет ограниченный ресурс.
Более мощные электродвигатели постоянного тока приводят в действие стеклоочистители, вентиляторы климата и радиаторов
Двигатели переменного тока обычно применяются там, где нужна большая мощность и высокая надежность. Эти электрические машины обычно конструктивно проще и долговечнее агрегатов постоянного тока. Именно такие двигатели используются как тяговые в большинстве электромобилей и гибридах. Правда, чтобы запитать двигатель переменного тока от батареи, на борту нужен специальный преобразователь тока – непростой и недешевый инвертор, но его применение оправдано.
По принципу работы моторы переменного тока бывают синхронными и асинхронными. Для рядового пользователя это уже высокие материи, скажем только, что асинхронные моторы на электромобилях применяют из-за простоты управления его оборотами.
Тяговые моторы электромобилей обычно работают на “переменке”, имеют возбуждение от постоянного магнита и относятся к асинхронному типу
Кроме того, одна электрическая машина переменного тока есть и в каждом обычном автомобиле – это генератор. По конструкции он аналогичен электродвигателю, только преобразует энергию, образно говоря, в обратную сторону – механическую в электрическую, а не наоборот, как это делает электродвигатель. Чтобы согласовать ток такого генератора с автомобильной бортовой сетью, применяется встроенный выпрямитель.
На практике: что, где, как
Несмотря на имидж простых и неприхотливых, электромоторы можно отнести к узлам, которые беспокоят автовладельцев. Требует внимания стартер – как минимум очистки коллектора и замены щеток, реже – замены подшипников. Распространенная неисправность – отказ моторчика печки, на неновых машинах часто подводит и электродвигатель вентилятора радиатора. Электродвигатель стеклоочистителя, часто имеющий статор с постоянными магнитами, боится перегрева (например, если дворники примерзли к стеклу) – из-за этого магнит теряет свои свойства, и дворники становятся “медленными”.
Дверные приводы замков, в особенности не штатные, а уставленные вместе с сигнализацией, тоже со временем “перегорают”. Увы, большинство используемых в автомобиле электродвигателей постоянного тока не принято ремонтировать, их просто заменяют новыми. Исключение составляет стартер, который весьма недешев.
Шток актуатора дверного замка приводится в действие небольшим моторчиком постоянного тока – через редуктор и электронный блок
Генератор переменного тока также требует обслуживания. У него есть щетки, которые подают ток на обмотку возбуждения, но поскольку работают они не по коллектору, а по гладким контактным кольцам, проблем с этим узлом меньше. Подшипники генератора обычно подлежат замене. Распространенная проблема – падение напряжения в бортовой сети из-за перегоревшего диода выпрямителя генератора.
Тяговые электромоторы гибридов и “электричек” обслуживают и ремонтируют в условиях фирменных СТО. Причем нужно быть готовым к тому, что из-за связанных с высоким напряжением рисков электромеханики запросят завышенный гонорар.
Устройство двигателя электромобиля
Электродвигатель – устройство, которое занимается преобразованием электроэнергии в механическую. Он работает, используя принцип электромагнитной индукции.В последнее время он все сильнее популяризируется на автомобильном рынке в качестве перспективного направления развития автопромышленности. Поэтому есть смысл подробнее ознакомиться с устройством электромобиля, его двигателя, за которым может быть будущее отрасли.
Принцип работы и устройство
Электродвигатель включает в себя статор и ротор. Вращающееся магнитное поле в статоре действует на обмотку ротора и наводит в нём ток индукции, возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор. Электроэнергия, поступающая на обмотки мотора, преобразуется в механическую энергию вращения.
Благодаря развитию технологии электродвигатели нашли применение в разных отраслях, например, автомобилестроении. Причем они способны использоваться либо отдельно, либо совместно с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Последний вариант – гибридные авто.
От электродвигателей, применяемых на производствах, агрегат для авто отличается малыми габаритами, но повышенной мощностью. К тому же современные разработки все больше отдаляют двигатели для автомобилей от иных подобных устройств. Характеристиками электромобилей являются не только показатели мощности, крутящего момента, но и частота вращения, ток и напряжение. Поскольку от этих данных зависит передвижение и обслуживание авто.
Чтобы лучше разобраться в многообразии, которое нам дарит авторынок, стоит рассмотреть существующие виды электродвигателей для электромобилей.
Их можно условно классифицировать по типу тока:
Электродвигатели переменного тока делятся на группы:
С учетом используемого количества фаз, электрические устройства разделяют на: одно-, двух-, трехфазные.
Если привести реальные образцы, используемые известными автопроизводителями, то хороший пример применения трехфазного агрегата асинхронного типа – Volt от Chevrolet. Он является гибридным автомобилем. Пример трехфазного синхронного двигателя — i-MiEV от Mitsubishi. А этот автомобиль является исключительно электрическим.
Силовая установка Chevrolet Volt
Следует отметить, что у разных производителей разные двигатели, отличающиеся массой, мощностью, габаритами и прочими параметрами.
Есть еще одна классификация – по конструкции щеточно-коллекторного узла. Такие агрегаты бывают:
В конструкциях электромобилей зачастую задействуются коллекторные моторы, хотя есть примеры и с иными моделями. Как вариант — автомобиль «Санрейсер», в котором установлен как раз бесколлекторный двигатель от компании General Motors. При массе 3,6 кг его КПД составляет 92%.
Нельзя не отметить еще один тип двигателя, который используется в некоторых современных моделях авто. Это система мотор-колесо. Пример — спорт-кар Volage. В такой конструкции предусмотрена возможность регенерации энергии торможения. Для этого используется тяговый двигатель Active Wheel. Он весит всего 7 кг, что позволяет добиться приемлемой массы колеса – 11 кг.
Самой распространенной сегодня конструкцией является решение с питанием от аккумуляторной батареи. Она нуждается в регулярной зарядке, способной реализоваться за счет внешних источников, генератора в конструкции и рекуперации энергии торможения. Генератор действует от ДВС, поэтому такая схема работы уже не относится к чисто электрическим. Подобные машины называют гибридными.
Преимущества и недостатки электродвигателей
Выделим достоинства электрических агрегатов:
В качестве примера удачной разработки модели с высокими характеристиками можно привести мотор от Yasa Motors. Инженеры компании создали агрегат, который при весе 25 кг способен выдавать до 650 Нм крутящего момента.
Электродвигатель Yasa Motors
Что касается недостатков непосредственно электродвигателя, то их нет. Больше вопросов вызывает питание агрегата, что, собственно, и тормозит распространение, широкое использование технологии. Поэтому на данный момент большей популярностью пользуются гибридные авто, нежели электромобили. Благодаря такой схеме увеличивается запас хода, позволительно использовать менее мощные и дорогостоящие аккумуляторные батареи.
Устройство электромобиля
Если сравнивать электромобиль с авто, где используется ДВС, он характеризуется более простой схемой, минимальным числом движущихся элементов. Следовательно, такое решение является более надежным.
Главные составляющие электромобиля:
Питание мотора в этой схеме организовывает, конечно же, тяговая аккумуляторная батарея. Зачастую задействуется литий-ионный тип, включающий в себя несколько модулей, подключенных последовательно. На выходе аккумулятора формируется напряжение от 300 (В) постоянного тока. Это значение определяется моделью авто. Современные образцы способны создавать и 700 В. Пример – автомобили Lola-Drayson, разработанные для гонок. Они оснащаются батареями напряжением 700 (В) и емкостью 60 кВт⋅ч.
Для корректного взаимодействия емкость батареи подбирается с учетом мощности двигателя. Этот показатель в подавляющем большинстве конструкций составляет от 15 до 200 (кВт). Если сравнить электрический двигатель с ДВС, то у первого КПД составляет 95%, а у другого – 25%. Разница существенна.
Имеются примеры в автомобилестроении, когда в конструкции используется несколько агрегатов. Они могут приводить в движение определенные колеса. Такой принцип организации позволяет увеличить тяговую мощность авто. Двигатель, интегрированный в колесо, имеет массу преимуществ, однако такое устройство тягового электродвигателя характеризуется ухудшенной управляемостью транспортного средства. Поэтому разработчики продолжают вести активную деятельность в этом направлении.
Электродвигатель с редуктором (вид снизу)
Что касается трансмиссии, то у электромобиля она имеет упрощенный вид. Многие конструкции оснащены одноступенчатым редуктором. Благодаря инвертору происходит преобразование высокого напряжения постоянного тока батареи. За счет наличия в конструкции бортового зарядного устройства гарантируется зарядка аккумулятора от электросети бытового назначения.
Обеспечением зарядки дополнительной батареи на 12 (В) занимается преобразователь. Эта батарея задействуется в качестве питающего элемента различных устройств транспортного средства:
Система управления организовывает такие процессы:
Система объединяет блок управления, датчики и прочие элементы других систем авто. Благодаря датчикам оценивается уровень давления в тормозной системе, разряда батареи, а также положение селектора переключения передач, тормозной педали и педали газа. По данным этих устройств обеспечивается оптимальное перемещение электромобиля с учетом текущих условий. На панели приборов традиционно отображаются основные показатели функционирования транспортного средства.
панель приборов Tesla
Внешне электромобиль не имеет отличий от традиционного автомобиля с ДВС, однако основные расхождения находятся в области эксплуатации: высокая стоимость, необходимость длительной зарядки, ограниченный ход. Поэтому устройство электромобиля имеет определенные расхождения с составом традиционного транспортного средства.
Высокая стоимость авто формируется в основном из-за цены на аккумуляторы, которые еще и имеют небольшой срок службы – до 7 лет. Это вынуждает специалистов искать новые решения для совершенствования технологии: литий — полимерные батареи, суперконденсаторы, топливные составляющие и прочие.
Затраты на содержание электромобиля зачастую ниже, чем авто с ДВС, особенно в тех государствах, где стоимость электроэнергии низкая.
Слабым местом электромобиля является также невысокий уровень автономного функционирования, вызванный коротким километражем без подзарядки. Этот параметр определяется многими факторами:
К примеру, при скорости 80 км/ч средний показатель дальности передвижения электрического транспортного средства составит около 140 км. Если же повысить скорость до 120 км/ч, этот показатель резко упадет до 80 км. Благодаря внедрению систем рекуперативного торможения степень автономности может повышаться до показателя в 300 км и более.
Как отмечалось, зарядка аккумулятора требует много времени, поэтому этот недостаток решается несколькими подходами:
Устройство и особенности гибридных систем
Применение гибридных автомобилей не только имеет свои преимущества, например, экологические, но и преследует определенные цели действующих игроков автомобильного рынка. Компании намерены сохранить налаженное конвейерное производство двигателей внутреннего сгорания. А постоянное ужесточение норм выброса вредных веществ – лишнее тому подтверждение.
По сути, гибридные системы подразумевают использование электродвигателя как дополнительного элемента, который способствует повышению мощности и экономии топлива. Ведь все подобные машины начинают движение именно благодаря ДВС.
Гибридные системы условно можно разделить на подвиды:
Различают также три вида «гибридов»:
Большинство существующих сейчас гибридных автомобилей относятся к параллельным. Хорошим решением является транспортное средство с подзарядкой. Оно открывает новые эксплуатационные возможности, нивелируя недостаток ограниченности пробега. При исчерпании заряда аккумулятора в работу вступает ДВС малой мощности.
Гибридная система существенно снижает уровень выводимых газов и увеличивает продуктивность расхода топлива, что особо актуально в условиях крупного населенного пункта. А рекуперативная система аккумулирует энергию.
Управление гибридным транспортным средством похоже на управление обычным автомобилем с автоматической коробкой передач. Только в этом случае обеспечивается низкий уровень шума, лучшая управляемость и повышенная мощность. При этом не нужно специально подзаряжать аккумуляторную батарею, это происходит при работе автомобиля.
Перспективы применения электродвигателей в автомобилях
Судя по текущим тенденциям, мировые лидеры автомобильной промышленности, политики и другие влиятельные лица всерьез взялись за то, чтобы развивать отрасль производства электрических автомобилей. Это видно по регулярно внедряемым нормам, которые постоянно повышают планку по выбросу максимального уровня вредных газов в атмосферу, и по мощной рекламной кампании, которая развернулась в медиапространстве в поддержку такого типа транспортных средств. В развитых странах с каждым годом растет количество заправочных станций, обеспечивающих зарядку электромобилей.
Поэтому открываются большие возможности инженерам для развития отрасли. И для этого есть два основных направления – адаптировать серийные автотранспортные средства или вести разработку новых моделей. Конечно, менее затратным мероприятием является усовершенствование существующих моделей.
Как раз европейские специалисты и занимаются улучшением нынешних гибридных двигателей, в то время как японские компании занялись совершенствованием обычного двигателя. Им удалось увеличить степень сжатия. При этом состав топлива остался неизменным.
В свою очередь, немецкие разработчики установили небывалый рекорд. Созданному электромобилю удалось проехать без подзарядки целых 600 км. Для автомобилей с ДВС это не показатель, однако электромобили могут похвастаться теперь и такими возможностями.
Дело в том, что даже Tesla, ведущий участник рынка, ещё не создал легкий аккумулятор, который смог вытянуть это расстояние. А в этом случае разработчикам удалось достичь показателя в 600 км.
Автомобиль проехал расстояние между двумя немецкими городами – Мюнхеном и Берлином. Его средняя скорость передвижения по трассе составила около 90 км/ч. Установление подобного рекорда стало возможным благодаря плодотворной работе предприятия DBM Energy, которое в тесном сотрудничестве с Lekker Energie создало такое решение.
В электромобиле была установлена аккумуляторная батарея емкостью 115 кВт/ч. Благодаря этому транспортное средство способно увеличивать мощность до 55 кВт, что отвечает приблизительно объему 1,4 Л для бензинового двигателя. Эффективность такой батареи доказывает установка в погрузчик, который способен увеличить время своей работы в четыре раза, если сравнивать действия с обычным аккумулятором. Именно этот емкостный агрегат был установлен на немецкий автомобиль Audi A2.
Может сложиться впечатление, что автомобиль «пустой», однако это не так. Организаторы эксперимента оснастили его всем необходимым: кондиционером, усилителем руля, аудиосистемами, системами безопасности и даже подогревом сидений. Поэтому потребление энергии, кроме перемещения, требовалось для выполнения и других функций.
Как стало известно, подобная технология находится на рассмотрении министерства экономики Германии, поэтому вполне возможно, что уже в скором времени эта отрасль получит новый толчок. Уже есть планы, по которым к 2020 году правительство страны намеревается достичь показателя в один миллион электрических автомобилей на европейских дорогах. Причем это не только транспортные средства личного пользования, но и другого назначения.
К тому же один из менеджеров компании Lekker Energie сообщил, что используемый аккумулятор на автомобиле А2 способен обеспечить общий пробег на уровне 500 тысяч километров.
Есть и еще один рекорд в этом направлении, поставленный Japan Electric Vehicle Club. Однако он касается чистого эксперимента. Это значит, что для повседневного использования такой электрокар не приспособлен. В результате японцам удалось побить рекорд – 1 тыс. км без подзарядки.
Какие бы разработки не велись в этой области, они сводятся к тому, что их должны поддержать гиганты автомобильной промышленности. Только им под силу внедрить достойное новшество, распространяя его по всему миру, создавая необходимую инфраструктуру, сервис и прочие необходимые средства. Все это требует больших затрат, поэтому предложенная идея может быть воплощена в жизнь, если расчеты по ее реализации дадут действительно существенную прибыль и установят новую планку стандартов на мировом рынке.
Тем не менее, учитывая текущее положение вещей, вряд ли стоит предполагать, что уже очень быстро электромобили займут свою большую нишу в автомобилестроении. И важный фактор, притормаживающий прогресс — психология человека. Очень непросто переубедить автомобилистов пересесть с бензиновых и дизельных автомобилей на электрические. Это особенно сложно сделать тем, кто занимается автогонками или является любителем динамичной езды.
Электромобиль Tesla Model S
Но тенденция к изменению отношения к такому явлению, как электрокар, уже проявляется. Сегодня все больше подобных автомобилей можно встретить на дорогах не только Европы, но и России. Пусть их еще немного, но их дополняют бесплатные зарядные станции в некоторых странах, позволяющие перемещаться на большие расстояния. Поэтому электрический транспорт постепенно становится естественным участником дорожного движения, закладывая фундамент новой эры машиностроения.
Принцип работы электродвигателя на современных автомобилях
Автор: Дмитрий Сапко
Удачное авто, которое обладает высокой мощностью и хорошей динамикой, получило сегодня еще один важный критерий качества и современности. Это экономичность, которая позволяет не только экономить определенные средства в эксплуатации транспорта, но и сохранять окружающую среду, не передавая огромное количество загрязнений на мир вокруг. Достаточно помнить, что цена топлива постоянно повышается, и этому нет никаких пределов. Ресурс нефти исчерпаем, политические игры с ее стоимостью закончатся ровно в тот момент, когда количество запасов резко уменьшится. Потому мир неизбежно должен задумываться об экономичности своего транспорта.
Именно это стало основной причиной столь активных разработок электромобилей в последние годы. Конечно, сфера сталкивается с большим количеством трудностей на пути к росту, поскольку нефтяные магнаты не слишком довольны фактом расширения инфраструктуры для электромобилей. Тем не менее, машины неизбежно будут электрическими уже через несколько лет, вскоре это станет отличной альтернативой бензиновым транспортным средствам. Сегодня мы рассмотрим принцип работы некоторых типов электромобилей, а также поговорим о реальных перспективах и присутствующих победах этого транспорта.
Если с вводом электромобилей для покупателей у мировых брендов пока возникает больше проблем, чем выгод, то гибриды присутствуют в модельной линейке каждого уважающего себя бренда. Сегодня гибридные авто способны на очень многое. К примеру, Lexus RX, достаточно большой кроссовер элитного класса, в своем гибридном исполнении имеет больше 300 лошадиных сил, а потребляет на трассе и в городских условиях порядка 6 литров топлива на 100 километров. Принцип работы гибридного автомобиля следующий:
В модельной линейке компании Peugeot во Франции присутствует гибрид с дизельным двигателем. Это малый семейный кроссовер, которые потребляет рекордные 3.4 литра на 100 километров. Впрочем, это не самый экономичный автомобиль. В мире уже присутствуют гибриды, которые могут использовать от 1 литра бензина на 100 километров пробега. Такие авто имеют не слишком мощные двигатели, но для городской поездки они вполне подходят. И это также может быть шаг в будущее. Впрочем, гибридные авто имеют довольно сложную конструкцию, которую дорого обслуживать.
Сложно описать работу электромобиля в общем, поскольку сегодня компании используют различные технологии для создания необходимых характеристик и особенностей транспорта будущего. В качестве эталона все принимают концерн Tesla, который произвел легендарный автомобиль Tesla Model S. При своей цене в Америке в пределах 50 000 долларов эта машина демонстрирует невероятные характеристики. О принципе работы этой машины говорить сложно, поскольку концерн не слишком распространяется о примененных инструментах. Тем не менее, будет весьма полезно узнать даже оглашенные данные:
Все решения производителя увенчались успехом, этот электромобиль стал одним из самых успешных представителей своего класса. Тем не менее, компания Tesla не выдумала ничего такого, что не было бы известно современным производителям электрических приборов. Просто все технологии были выработаны в оптимальном исполнении. Все 250 патентов, которыми обладает автомобиль, связаны не с новыми технологиями, а с методом применения уже известных и разработанных узлов. Тем не менее, это не отменяет гениальность разработчиков и их серьезные достижения в этой непростой сфере.
Так как же работает электродвигатель в современном электромобиле?
Пока во всех электромобилях используются индукционные двигатели, задачей которых является преобразование электрической энергии в механическую. Такие силовые агрегаты не имеют вращающихся деталей, что значительно снижает стоимость их обслуживания. Ремонт двигателей связан только с восстановлением обмотки и обслуживанием двух подшипников, удерживающих вал в центре двигателя. Конструкция электродвигателя известна многие годы, но только сегодня производители автомобилей начали активно имплементировать этот узел в машины. Есть ряд проблем, которые препятствуют полному переходу на электромобили:
Многие факты, которые нам сегодня известны о работе электромобиля являются слухами, придуманными для предотвращения полного перехода на электрический транспорт. Впрочем, о полном переходе в ближайшие три десятка лет думать не приходится. Люди в большинстве стран не могут позволить себе купить электромобиль, стоимость которого стартует с 30-40 тысяч долларов за маленький хэтчбек с небольшим максимальным пробегом. Да и сеть заправок необходимо оборудовать, чтобы за несколько минут восполнять все потери батареи. Предлагаем посмотреть репортаж о мастере, который переделывает обычные машины на электромобили:
Подводим итоги
Развитие электромобилей является одним из самых интересных направлений деятельности современной сферы автомобилестроения. Тем не менее, есть много спорных фактов, которые могут стать настоящей проблемой для этой отрасли. Пока идут споры о том, будет ли стандартный бензиновый и дизельный транспорт заменен на электрические автомобили, но эти споры беспочвенны. Бензиновые авто в течение следующих трех десятилетий отойдут в историю по причине окончания запасов нефти. Этот ресурс станет слишком дорогим для того, чтобы заливать его в баки автомобилей.
Но станет ли электричество следующим топливом для массового транспорта, или вид персонального средства передвижения вообще изменится до неузнаваемости? Вопросов в этом деле больше чем ответов, потому мы не будем делать никаких догадок. Можно наблюдать за развитием технологий автомобильного рынка и делать собственные выводы по поводу его дальнейших шагов. Как вы думаете, станут ли электромобили следующим мировым транспортом с огромным количеством покупателей и массовой заменой бензиновых машин?