Атмосферные двигатели внутреннего сгорания — классика. Но есть агрегаты с турбонаддувом, прямым, непрямым и косвенным впрыском. Бензин и дизель — ещё одно масштабное разделение. Подобную классификацию можно развивать очень долго, но речь сейчас не совсем об этом. Дело в том, что в электромобилях также используется широкое разнообразие двигателей, о чем осведомлены далеко не все. Причина его возникновения очень проста — идеальный агрегат пока не придумали. В каждом варианте есть свои сильные и слабые стороны, на которые ориентируются производители. Только они решают, какой именно выбрать, и развивают его по мере инженерных возможностей.
Общее устройство электрического транспорта
В современных электромобилях используются двигатели переменного тока разных видов. Впрочем, прежде чем переходить к их различиям важно разобраться в общем устройстве оборудования — можно на примере BMW i3. Через розетку (1) электромобиль заряжается переменным током. Так как аккумулятор (6) хранит энергию в виде постоянного напряжения, ток выпрямляется (2) и попадает в него только после этого. Однако тяговый электрический двигатель (3) питается переменным током, поэтому между ним и элементами питания есть инвертор, а также система управления (4). В зависимости от модели также используется вспомогательное оборудование — в данном случае: электрический компрессор системы охлаждения (5) и система подогрева аккумуляторной батареи (7). Всё это вкупе называется системой электродвижения.
Классический асинхронный электродвигатель
Асинхронный электродвигатель не новинка. Его практически одновременно изобрели два независимых исследователя: Никола Тесла и Галилео Феррари. Судя по всему, первым в фактическом плане был именно итальянец, который придумал его в 1885-м. Но в юридическом смысле победителем из этой негласной гонки вышел Тесла — он запатентовал изобретение в 1888 году. Подобное свершение оказалось одним из самых значимых событий своего времени — оно влияет на жизни каждого из нас до сих пор. Без асинхронных электродвигателей вообще очень сложно представить повседневную жизнь. Они используются во многих бытовых приборах, а также активно применяются в промышленности.
Все электродвигатели состоят из двух базовых частей. Статическую называют статором, вращающуюся — ротором. В случае с асинхронным двигателем статор представляет собой магнитопровод, набранный из листов электротехнической стали, с пазами, в которых проложены медные обмотки. Они запитаны трёхфазным переменным током, который преобразовывается из хранящегося в аккумуляторе постоянного. В общем виде ротор может быть короткозамкнутым или фазным. В любом случае создающееся в статоре вращающееся магнитное поле индуцирует в роторе электродвижущую силу и, как следствие, ещё одно магнитное поле.
Магнитное поле в роторе отстаёт от магнитного поля в статоре. Между ними создаётся сила, которая вращает движущуюся часть электродвигателя. Она называется силой Лоренца. Движение ротора передаётся на систему уменьшения усилия (по примеру коробки передач в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания) и попадает на колёса электрического транспортного средства.
Асинхронным данный тип электродвигателя называется как раз из-за разницы в скорости магнитных полей, которые образовываются на статоре и роторе. Когда водитель нажимает на педаль акселератора, магнитное поле ротора отстаёт от статора. Другими словами, вращающееся на статоре магнитное моле утягивает за собой ротор, в котором наводится магнитное поле. Когда транспортное средство замедляется, двигатель работает в роли генератора — в данном случае вращающееся магнитное поле ротора обгоняет аналогичную силу в статоре. Эта разница между частотой вращения магнитного поля и ротора называется скольжением. Благодаря ей асинхронный двигатель и получил своё название.
Типичная эффективность трёхфазного асинхронного электродвигателя, используемого в автомобильной промышленности, достигает 90%. Из-за максимальной прочности, предельной простоты, невероятной долговечности и нетребовательности к материалам в промышленности используются исключительно асинхронные двигатели. У асинхронных двигателей относительно небольшой момент при пуске. Однако благодаря лёгкости пуска и регулирования подобные силовые установки нередко применяются для приведения в движения передних колёс полноприводных электромобилей.
⊗ Модели:
- Mercedes-Benz EQC;
- внедорожник Audi e-Tron;
- многие модели VW Group (на передней оси);
- Tesla Model S, 3, X и Y (на передней оси).
⊕ Плюсы:
- сравнительно достойная эффективность;
- низкая стоимость производства;
- отсутствие необходимости в редкоземельных материалах.
⊖ Минусы:
- высокая потребность в охлаждении;
- низкая мощность в расчёте на размер;
- отставание от других электродвигателей по эффективности.
Синхронный электродвигатель на постоянных магнитах
Фундаментальное различие между асинхронными и синхронными электродвигателями следует из названия — магнитные поля в синхронном электродвигателе всегда вращаются на одной частоте. Синхронные двигатели бывают с разными роторами. В случае с двигателем на постоянных магнитах именно они и создают магнитное поле в роторе. В синхронных электродвигателях с постоянными магнитами присутствуют собственное вращающееся магнитное поле, которое этими самыми магнитами (они находятся в роторе) и создаётся. Собственно, отсюда и название данного типа силовых агрегатов. Вращающиеся магнитные поля ротора и статора в таких электродвигателях синхронизированы и пресловутого скольжения, которое присуще асинхронным агрегатам, здесь нет.
Постоянные магниты в роторе — ключевой элемент, который даёт возможность уменьшить габариты электродвигателя в пересчёте на мощность. Это значительно повышает эффективность всей силовой установки в целом. Высокая мощность при минимальных габаритах позволяет использовать синхронные электродвигатели в гибридных транспортных средствах, которые крайне сильно ограничены по свободному пространству из-за использования двигателей внутреннего сгорания, коробки передач, а также других сопутствующих компонентов. Кстати, дополнительный силовой агрегат в данном случае обычно устанавливают в трансмиссию.
Однако у любого синхронного двигателя есть особенности, следующие из принципа действия. Для пуска такого двигателя необходимо подавать на ротор переменный ток с нарастающий частотой, от 1 Гц и до номинального значения (частотный пуск). Для этого требуется дополнительное оборудование, благо с развитием силовой полупроводниковой техники с этим нет никаких проблем. Также электродвигатель на постоянных магнитах сложнее регулировать, так как невозможно уменьшить или увеличить поле от постоянных магнитов.
Постоянные магниты для синхронных электродвигателей изготавливаются из редкоземельных материалов, добычу которых контролирует преимущественно Китай. У мирового сообщества есть вопросы по поводу этических аспектов данного процесса, поэтому многие топовые производители транспортных средств пытаются минимизировать использование в них подобных компонентов. Впрочем, синхронные двигатели с постоянными магнитами от этого не становятся менее эффективными. По данному показателю оно достигает 94–95%. Если электромобиль проектируется для использования с одной силовой установкой, обычно выбирают синхронный вариант.
⊗ Модели:
- Hyundai Ioniq 5;
- Kia EV6;
- Porsche Taycan;
- Jaguar i-pace;
- спорткар Audi e-tron GT;
- многие модели VW Group (на задней оси);
- Tesla Model S, 3, X и Y (на задней оси).
⊕ Плюсы:
- максимальная эффективность;
- низкая потребность в охлаждении;
- высокая мощность в расчёте на размер.
⊖ Минусы:
- высокая стоимость производства;
- теоретическая опасность размагничивания.
Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения
Синхронные двигатели на постоянных магнитах обеспечивают наивысшую эффективность. Впрочем, важно понимать, что для их производства нужны редкоземельные материалы. С одной стороны, это значительно повышает финальную стоимость самой силовой установки. С другой стороны, возникают нежелательные этические вопросы, которые неприемлемы для многих топовых производителей электрокаров. Чтобы отказаться от редкоземельных материалов, некоторые вендоры, среди которых BMW, Renault и Smart, используют синхронные электродвигатели с обмоткой возбуждения.
Ротор такой синхронной машины содержит не постоянные магниты, а стальной магнитопровод и медные обмотки. На них подаётся постоянное напряжение, в результате чего появляется магнитное поле. Для подачи напряжения используются щётки, скользящие по кольцам. Коэффициент полезного действия таких двигателей достигает 93%. Особенность, связанная с частотным пуском остаётся. Однако по сравнению с двигателем на постоянных магнитах, электродвигатель с обмоткой возбуждения гораздо проще регулировать в том числе путём изменения магнитного поля на роторе. Такие электродвигатели кажутся наиболее многообещающими, но использование щёток недвусмысленно намекает на необходимость их дальнейшей замены. Они неизбежно изнашиваются, поэтому в один «прекрасный» момент потребуется установка новых. Когда это случится, вопрос без ответа. Всё зависит от надёжности, которую регулируют бренды.
⊗ Модели:
- BMW iX3, iX, i4;
- Renault Megane E-TECH;
- SMART EQ.
⊕ Плюсы:
- высочайшая эффективность;
- сравнительно низкая стоимость;
- нет риска размагничивания;
⊖ Минусы:
- наличие изнашивающихся со временем щёток и колец.
Источник: ArenaEV.
