Автолюбители всегда фанатично относились к двигателям, но электрификацию невозможно остановить, и запасы знаний некоторых людей, возможно, необходимо обновить.
Наиболее известным сегодня является четырехтактный двигатель, который также является источником энергии для большинства автомобилей с бензиновым двигателем.Подобно четырехтактным, двухтактным двигателям и двигателям Ванкеля двигателей внутреннего сгорания, двигатели электромобилей можно разделить на синхронные и асинхронные двигатели в зависимости от разницы роторов.Асинхронные двигатели также называют асинхронными двигателями, а синхронные двигатели содержат постоянные магниты.и ток для возбуждения двигателя.
Статор и Ротор
Все типы двигателей электромобилей состоят из двух основных частей: статора и ротора.
Статор▼
Статор — это часть двигателя, которая остается неподвижной и представляет собой фиксированный корпус двигателя, установленный на шасси, как блок двигателя.Ротор — единственная движущаяся часть двигателя, похожая на коленчатый вал, которая передает крутящий момент через трансмиссию и дифференциал.
Статор состоит из трех частей: сердечника статора, обмотки статора и корпуса.Множество параллельных канавок в корпусе статора заполнены соединенными между собой медными обмотками.
Эти обмотки содержат аккуратные медные вставки-шпильки, которые увеличивают плотность заполнения пазов и прямой контакт между проводами.Плотная обмотка увеличивает крутящий момент, а концы расположены более аккуратно, что позволяет уменьшить объем и уменьшить общий размер корпуса.
Статор и ротор▼
Основная функция статора — генерировать вращающееся магнитное поле (ВМП), тогда как основная функция ротора — разрезать магнитные силовые линии во вращающемся магнитном поле для генерации (выходного) тока.
Двигатель использует трехфазный переменный ток для создания вращающегося поля, а его частота и мощность контролируются силовой электроникой, которая реагирует на акселератор.Аккумуляторы представляют собой устройства постоянного тока (DC), поэтому силовая электроника электромобиля включает в себя преобразователь постоянного и переменного тока, который подает на статор необходимый переменный ток для создания крайне важного переменного вращающегося магнитного поля.
Но стоит отметить, что эти двигатели также являются генераторами, то есть колеса будут вращать ротор внутри статора, создавая вращающееся магнитное поле в другом направлении, отправляя энергию обратно в батарею через преобразователь переменного тока в постоянный.
Этот процесс, известный как рекуперативное торможение, создает сопротивление и замедляет автомобиль.Регенерация лежит в основе не только расширения ассортимента электромобилей, но и высокоэффективных гибридов, поскольку обширная регенерация улучшает экономию топлива.Но в реальном мире регенерация не так эффективна, как «качание автомобиля», позволяющее избежать потерь энергии.
Большинство электромобилей используют односкоростную коробку передач, чтобы замедлить вращение двигателя и колес.Как и двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели наиболее эффективны при низких оборотах и высокой нагрузке.
В то время как электромобиль может обеспечить приличный запас хода на одной передаче, более тяжелые пикапы и внедорожники используют многоскоростные трансмиссии для увеличения запаса хода на высоких скоростях.
Многоступенчатые электромобили встречаются редко, и сегодня только Audi e-tron GT и Porsche Taycan используют двухскоростную коробку передач.
Три типа двигателей
Ротор асинхронного двигателя, родившийся в 19 веке, состоит из продольных слоев или полос проводящего материала, чаще всего меди, а иногда и алюминия.Вращающееся магнитное поле статора индуцирует ток в этих листах, который, в свою очередь, создает электромагнитное поле (ЭДС), которое начинает вращаться внутри вращающегося магнитного поля статора.
Асинхронные двигатели называются асинхронными, потому что индуцированное электромагнитное поле и вращающий момент могут создаваться только тогда, когда скорость ротора отстает от вращающегося магнитного поля.Эти типы двигателей распространены, поскольку они не требуют редкоземельных магнитов и относительно дешевы в производстве.Но они менее способны рассеивать тепло при длительно высоких нагрузках и по своей сути менее эффективны на низких скоростях.
Двигатель с постоянными магнитами, как следует из названия, его ротор обладает собственным магнетизмом и не требует энергии для создания магнитного поля ротора.Они более эффективны на низких скоростях.Такой ротор также вращается синхронно с вращающимся магнитным полем статора, поэтому его называют синхронным двигателем.
Однако простое обертывание ротора магнитами имеет свои проблемы.Во-первых, для этого требуются магниты большего размера, а из-за дополнительного веса может быть сложно поддерживать синхронизацию на высоких скоростях.Но более серьезной проблемой является так называемая высокоскоростная «обратная ЭДС», которая увеличивает сопротивление, ограничивает максимальную мощность и генерирует избыточное тепло, которое может повредить магниты.
Чтобы решить эту проблему, большинство двигателей с постоянными магнитами электромобилей имеют внутренние постоянные магниты (IPM), которые попарно скользят в продольные V-образные канавки, расположенные в виде нескольких лепестков под поверхностью железного сердечника ротора.
V-образная канавка обеспечивает безопасность постоянных магнитов на высоких скоростях, но создает реактивный момент между магнитами.Магниты либо притягиваются, либо отталкиваются другими магнитами, но обычное сопротивление притягивает лепестки железного ротора к вращающемуся магнитному полю.
Постоянные магниты вступают в действие на низких скоростях, а реактивный момент начинает действовать на высоких скоростях.В этой конструкции используется Prius.
Последний тип двигателя с токовым возбуждением лишь недавно появился в электромобилях.Оба вышеперечисленных двигателя являются бесщеточными.Принято считать, что бесщеточные двигатели являются единственным жизнеспособным вариантом для электромобилей.А BMW недавно пошла против нормы и установила на новые модели i4 и iX коллекторные синхронные двигатели переменного тока с возбуждением током.
Ротор двигателя этого типа взаимодействует с вращающимся магнитным полем статора точно так же, как ротор с постоянными магнитами, но вместо постоянных магнитов он использует шесть широких медных лепестков, которые используют энергию батареи постоянного тока для создания необходимого электромагнитного поля. .
Для этого на вал ротора необходимо установить контактные кольца и пружинные щетки, поэтому некоторые опасаются, что щетки изнашиваются и накапливают пыль, и отказываются от этого метода.Хотя набор щеток заключен в отдельный корпус со съемной крышкой, еще предстоит выяснить, является ли износ щеток проблемой.
Отсутствие постоянных магнитов позволяет избежать роста стоимости редкоземельных металлов и воздействия горнодобывающей промышленности на окружающую среду.Это решение также позволяет изменять напряженность магнитного поля ротора, что обеспечивает дальнейшую оптимизацию.Тем не менее, питание ротора по-прежнему потребляет некоторую мощность, что делает эти двигатели менее эффективными, особенно на низких скоростях, где энергия, необходимая для создания магнитного поля, составляет большую часть общего потребления.
За короткую историю электромобилей синхронные двигатели переменного тока с токовым возбуждением являются относительно новыми, и еще есть много возможностей для развития новых идей, и были важные поворотные моменты, такие как переход Теслы от концепций асинхронных двигателей к постоянным магниты синхронного двигателя.А до эры современных электромобилей осталось меньше десяти лет, и мы только начинаем.
Время публикации: 21 января 2023 г.