Калькулятор параметров электромобиля | Сайт об электромобилях
Итак, выполняя намеченные планы, мы можем продолжить тестирование предварительной версии калькулятора электромобилей. Часть возможностей можно применять для расчета параметров автомобиля. На данный момент вы сможете потестировать предварительную версию калькулятора. Для получения возможности проводить вычисления в вашем браузере должна быть включена поддержка JavaScript. При введении дробных величин используйте дробную точку как разделитель.
- 12.12.12 — уточнен расчет пиковой мощности электродвигателя
- 21.04.17 — добавлены электромоторы Golden Motor
Теперь для самодельщиков появился интернет-магазин комплектующих для малого электротранпорта — ecovel.ru — аккумуляторные батареи, электродвигатели, колеса, велокомпьютеры, амортизаторы, контроллеры, аксессуары — все что нужно для творчества прямо от производителя по достойной цене.
Параметры шасси для расчетов
Параметры двигателя | Выберите автомобиль — донор1969 Volkswagen BeetleЗАЗ 968М1983 Volkswagen Rabbit GTI1986 Mazda RX-7 GXL1986 Porshe 911 Carrera1992 Ford Festiva GL’1995 Mazda Protege ES1997 Hyundai Tiburon1998 Mazda Miata2003 Honda Insight 5spd2004 Toyota Prius Описание донора . Передаточные числа коробки передач 1 2345Предупреждение:
| |||
| Перевод л.с. в КВт | ||||
| Расчет крутящего момента электродвигателя | ||||
| ||||
Параметры контроллера электродвигателя | ||||
| Подбор аккумулятора для батареи Выберите аккумулятор для батареиTS-IC24v90
| ||||
Конечные результаты расчета электромобиля. ..Пересчитать | ||||
)Copyright © Дмитрий Спицын, 2007-2017.
Двигатели для электромобилей: производители, устройство
Исчерпание углеводородного топлива, ухудшение экологической обстановки и ряд других причин рано или поздно заставят производителей разработать модели электромобилей, которые станут доступны для широких слоев населения. А пока остается только ждать или собственноручно разрабатывать варианты экологически чистой техники.Если же вы все-таки предпочитаете самостоятельно искать решения, а не дожидаться их со стороны, то вам понадобятся знания о том, какие двигатели для электромобиля уже изобрели, чем они отличаются и какой из них наиболее перспективный.
Тяговый двигатель
Если вы решите поставить обыкновенный электромотор под капот своего автомобиля, то, скорее всего, из этого ничего не выйдет. А все потому, что вам необходим тяговый электрический двигатель (ТЭД).
От обычных электромоторов он отличается большей мощностью, способностью выдавать больший крутящий момент, небольшими габаритами и малой массой.
Для питания тягового электродвигателя используются батареи. Они могут подзаряжаться от внешних источников («от розетки»), от солнечных батарей, от генератора, установленного в авто, или в режиме рекуперации (самостоятельное восполнение заряда).
Двигатели для электромобилей чаще всего работают от литий-ионных батарей. ТЭД обычно функционирует в двух режимах – двигательном и генераторном. В последнем случае он восполняет потраченный запас электроэнергии при переходе на нейтральную скорость.
Принцип работы
Стандартный электродвигатель состоит из двух элементов – статора и ротора. Первый компонент является неподвижным, имеет несколько катушек, а второй совершает вращательные движения и передает усилие на вал. На катушки статора с определенной периодичностью подается переменный электрический ток, что вызывает появление магнитного поля, которое начинает вращать ротор.
Чем чаще катушки «включаются-выключаются», тем быстрее вращается вал. В двигатели для электромобилей могут устанавливать два вида ротора:
- короткозамкнутый, на котором возникает магнитное поле, противоположное полю статора, за счет чего и происходит вращение;
- фазный – используется для уменьшения тока запуска и контроля скорости вращения вала, является наиболее распространенным.
Кроме того, в зависимости от скорости вращения магнитного поля и ротора двигатели могут быть асинхронными и синхронными. Тот или иной тип необходимо выбирать из имеющихся средств и поставленных задач.
Синхронный двигатель
Синхронный двигатель – это ТЭД, у которого скорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения магнитного поля. Такие двигатели для электромобилей целесообразно использовать только в тех случаях, когда имеется источник повышенной мощности – от 100 кВт.Одной из разновидностей синхронных электромоторов является шаговый двигатель. Обмотка статора такой установки разбита на несколько секций.
В определенный момент ток подается на определенную секцию, возникает магнитное поле, которое вращает ротор на определенный угол. Затем ток подается на следующую секцию, и процесс повторяется, вал начинает вращаться.
Асинхронный электромотор
В асинхронном двигателе скорость вращения магнитного поля не совпадает со скоростью вращения ротора. Плюсом таких устройств является ремонтопригодность – запчасти для электромобилей, оснащенных этими установками, найти очень просто. К другим преимуществам относятся:
- Простая конструкция.
- Простота обслуживания и эксплуатации.
- Низкая стоимость.
- Высокая надежность.
В зависимости от наличия щеточно-коллекторного узла двигатели могут быть коллекторными и безколлекторными. Коллектор – устройство, служащее для преобразования переменного тока в постоянный. Щетки служат для передачи электроэнергии на ротор.Безколлекторные двигатели для электромобилей отличаются меньшей массой, компактными габаритами и более высоким КПД.
Они реже перегреваются и потребляют меньше электричества. Единственный минус такого двигателя – высокая цена на электронный блок, который выполняет функции коллектора. Кроме того, найти запчасти для электромобилей, оснащенных безколлекторным двигателем, сложнее.
Производители электродвигателей
Большинство самодельных электромобилей сконструировано с применением коллекторного двигателя. Это объясняется доступностью, низкой ценой и простым обслуживанием.
Видным производителем линейки данных моторов является немецкая компания Perm-Motor. Ее продукция способна к рекуперативному торможению в генераторном режиме. Она активно используется для оснащения скутеров, моторных лодок, легковых автомобилей, электроподъёмных устройств. Если двигатели Perm-Motor устанавливали в каждый электромобиль, цена их была бы значительно ниже. Сейчас они стоят в пределах 5-7 тыс. евро.Популярным производителем является компания Etek, которая занимается производством безщеточных и щеточных коллекторных двигателей.
Как правило, это трехфазные моторы, работающие на постоянных магнитах. Основные преимущества установок:
- точность управления;
- легкость организации рекуперации;
- высокая надежность за счет простой конструкции.
Завершает список производителей завод из США Advanced DC Motors, выпускающий коллекторные электромоторы. Некоторые модели обладают исключительной особенностью – они имеют второй шпиндель, что можно использовать для подключения на автомобиль-электромобиль дополнительного электрооборудования.
Какой двигатель выбрать
Чтобы покупка вас не разочаровала, надо сравнить характеристики приобретаемой модели с предъявляемыми требованиями к автомобилю. При выборе электродвигателя в первую очередь ориентируются на его тип:
- Синхронные установки имеют сложное устройство и дорогостоящи, но обладают перегрузочной способностью, ими легче управлять, им не страшны перепады напряжения, используются при высоких нагрузках. Они устанавливаются на электромобиль Mercedes.
- Асинхронные модели отличаются низкой стоимостью, простым устройством. Они просты в обслуживании и эксплуатации, однако выделяемая ими мощность намного меньше, чем тот же показатель синхронной установки.
На электромобиль цена будет значительно ниже, если электромотор будет работать в паре с двигателем внутреннего сгорания. На рынке такие комбинированные установки обладают большей популярностью, так как их стоимость составляет около 4-4,5 тыс. евро.
главное для хорошего электромобиля – облегчённый мотор / Хабр
Дизайн автора представляет новое слово в разработке электромоторов
В первое десятилетие XX века 38% всех машин в США работали на электричестве – и этот процент упал почти до нуля с ростом доминирования ДВС в 1920-х. Сегодняшнее стремление к сохранению энергии и уменьшению вредных выбросов вдохнуло в электромобили новую жизнь, но их высокая стоимость и ограниченный пробег сдерживают продажи.
Большая часть попыток решения этих проблем связана с улучшением батареек.
В прошлом году мы доказали работоспособность нашего мотора во всесторонних лабораторных тестах, и хотя до размещения его в автомобиле ещё далеко, у нас есть все основания полагать, что там он покажет себя так же хорошо. Наш мотор сможет увеличить пробег современных электромобилей, даже если мы не достигнем никакого прогресса в технологии батарей.
Чтобы понять сложность нашей задачи, необходимо вспомнить основы схемы электромотора (ЭМ).
Концепции моторов отличаются именно в области магнитных интерфейсов. В коллекторных моторах постоянного тока ток течёт через щётки, скользящие по коллекторному узлу. Ток идёт через коллектор и передаёт энергию намотке на роторе. Намотка отталкивается постоянными магнитами или электромагнитами статора. Щётки, скользя по коллектору, периодически меняют направление тока, и магниты ротора и статора отталкивают друг друга снова и снова, в результате чего ротор вращается. Иначе говоря, вращательное движение обеспечивается изменяющимся магнитным полем, производимым коллектором, соединяющим катушки с источником тока и циклически меняющим направление тока при поворотах ротора.
В современных электромобилях используется переменный ток от инвертера. Здесь динамическое вращающееся магнитное поле создаётся в статоре, а не в роторе. Это позволяет упростить схему ротора, который обычно более сложен, чем статор, что облегчает все задачи, связанные с разработкой ЭМ.
Моторов на переменном токе бывает два вида: асинхронные и синхронные. Мы сфокусируемся на синхронных, поскольку обычно они лучше и эффективнее работают.
Передовая система охлаждения проводит жидкость непосредственно через катушку (слева), а не через кожух мотора (справа)
Синхронные моторы тоже бывают двух видов. Более популярный – синхронная машина с постоянными магнитами [permanent-magnet synchronous machine, PMSM], использующая постоянные магниты, встроенные в ротор. Чтобы заставить его вращаться, в статоре организуется вращающееся магнитное поле. Это поле получается благодаря обмотке статора, соединённой с источником переменного тока.
Во время работы полюса постоянных магнитов ротора захватываются вращающимся магнитным полем статора, что и заставляет ротор вращаться.
Такая схема, использующаяся в Chevrolet Volt и Bolt, в BMW i3, в Nissan Leaf и множестве других машин, может в пике достигать эффективности в 97%. Постоянные магниты обычно делают из редкоземельных элементов; яркие примеры – очень мощные неодимовые магниты, разработанные в 1982 году General Motors и Sumitomo.
Явнополюсные синхронные электродвигатели [Salient-pole synchronous machines, SPSM)] используют внутри ротора не постоянные, а электромагниты. Полюсы – это катушки в виде труб, направленные наружу, как спицы колеса. Эти электромагниты в роторе питаются источником постоянного тока, соединённым с ними через контактные кольца. Контактные кольца, в отличие от коллектора, не меняют направление тока. Северный и южный полюса ротора статичны, и щётки не изнашиваются так быстро. Как и в случае с PMSM, вращение ротора происходит из-за вращения магнитного поля статора.
Из-за необходимости питать электромагниты ротора через контактные кольца, у этих моторов обычно чуть ниже пиковая эффективность – в диапазоне от 94 до 96%. Преимущество над PMSM заключается в настраиваемости поля ротора, позволяющая ротору более эффективно вырабатывать крутящий момент на больших скоростях. Итоговая эффективность при использовании для разгона машины возрастает. Единственный производитель таких моторов в серийных авто – это Renault с его моделями Zoe, Fluence и Kangoo.
Электромобили необходимо строить с не только эффективными, но и лёгкими компонентами. Самый очевидный способ улучшить соотношение мощности к весу – уменьшить размер мотора. Однако такая машина выдаст меньший крутящий момент для одной и той же скорости вращения. Следовательно, чтобы получить больше энергии необходимо вращать мотор на более высоких скоростях. Сегодняшние электромобили работают на 12000 об/мин; в следующем поколении появятся моторы, работающие при 20000 об/мин; уже идут работы над моторами, работающие на скорости 30000 об/мин.
Проблема в том, что чем выше скорость, тем сложнее получается редуктор – скорость вращения мотора слишком сильно превышает скорость вращения колёс. Из сложности редуктора следуют большие энергопотери.
Идеальный шторм: в авторском варианте (вверху) сила Лоренца и смещённая индуктивность (серый) суммируются в максимальное общее усилие (синее) равное 2. В обычном моторе (внизу) сумма двух сил – силы Лоренца и магнитное сопротивление (серый) дают общее усилие (синий), достигающее пика лишь в 1,76, при угле выбега ротора в 0,94 рад. Разница в этом примере составляет 14%
Второй подход к улучшению соотношения мощности к весу – увеличение силы магнитного поля, что увеличивает крутящий момент. В этом состоит смысл добавления железного сердечника к катушке – хотя это увеличивает вес, но одновременно усиливает плотность магнитного потока на два порядка. Следовательно, практически все современные ЭМ используют железные сердечники в статоре и роторе.
Однако, есть и минус.
Когда сила поля увеличивается до определённого предела, железо теряет возможность усиления плотности потока. На это насыщение можно немного повлиять, добавляя присадки и изменяя процесс изготовления железа, но и самые эффективные материалы ограничены 1,5 В*с/м2 (вольт в секунду на квадратный метр, или тесла, Тл). Только очень дорогие и редкие вакуумные железно-кобальтовые материалы могут достигать плотностей магнитного потока 2 Тл или более.
И, наконец, третий стандартный путь увеличения крутящего момента – усиление поля через усиление тока, проходящего через катушки. Опять-таки, тут есть свои ограничения. Увеличьте ток, и увеличатся потери на сопротивление, уменьшится эффективность и появится тепло, способное повредить мотор. Для проводов можно использовать металл, лучше проводящий ток, чем медь. Серебряные провода также бывают, но их применение в таком устройстве было бы абсурдно затратным.
Единственный практический способ увеличить ток – контролировать тепло. Передовые охлаждающие решения проводят жидкость прямо рядом с катушками, а не дальше от них, снаружи статора.
Все эти шаги помогают улучшать соотношение веса к мощности. В гоночных электромобилях, где стоимость не имеет значения, моторы могут достигать 0,15 кг на киловатт, что сравнимо с лучшими ДВС из Формулы 1.
Мы со студентами разрабатывали и создавали такие высокопроизводительные электромоторы для автомобиля, участвовавшего в студенческой Формуле три года назад. Мы создавали моторы в нашей лаборатории в Электротехническом институте Технологического института Карлсруэ. Каждый год команда создавала новую машину с улучшенным мотором, редуктором и силовой электроникой. В машине четыре мотора, по одному на колесо. Каждый имеет всего 8 см в диаметре, 12 см в длину и 4,1 кг веса, и производит 30 кВт на постоянной основе и 50 кВт в пике. В 2016 году наша команда выиграла чемпионат мира.
Так что это и правда можно сделать, если стоимость вас не волнует. Главный вопрос – можно ли использовать такие улучшающие эффективность технологии в массовом производстве, в машине, которую могли бы купить вы? Мы создали такой мотор, так что ответ на вопрос – положительный.
Мы начали с простой идеи. Электромоторы хорошо работают как в роли моторов, так и в роли генераторов, хотя для электромобилей такая симметрия не особенно нужна. Для автомобиля нужен мотор, работающий лучше в роли мотора, чем в роли генератора – последняя используется только для заряда батарей при рекуперативном торможении.
Чтобы понять эту идею, рассмотрим работу мотора PMSM. В таком моторе движение создают две силы. Во-первых, сила, возникающая благодаря постоянным магнитам в роторе. Когда ток идёт через медные катушки статора, они создают магнитное поле. Со временем ток переходит из одной катушки в другую и заставляет магнитное поле вращаться. Вращающееся поле статора притягивает постоянные магниты ротора, и тот начинает двигаться. Этот принцип основан на силе Лоренца, влияющей на движение заряженной частицы в магнитном поле.
Но современные ЭМ получают часть энергии от магнитного сопротивления – силы, притягивающей блок железа к магниту. Вращающееся поле статора притягивает как постоянные магниты, так и железо ротора.
Сила Лоренца и магнитное сопротивление работают бок о бок, и – в зависимости от схемы мотора – примерно равны друг другу. Обе силы примерно равны нулю, когда магнитные поля ротора и статора выравниваются. С увеличением угла между ними мотор вырабатывает механическую энергию.
В синхронном моторе поля статора и ротора работают совместно, без задержек, существующих в асинхронных машинах. Поле статора находится под определённым углом к полю ротора, который можно регулировать во время работы для достижения наибольшей эффективности. Оптимальный угол для создания вращательного момента при заданном токе можно вычислять заранее. Затем он подстраивается, по мере изменения тока, к силовой электронной системе, дающей переменный ток на намотку статора.
Но вот, в чём проблема: при движении поля статора по отношению к положению ротора сила Лоренца и магнитное сопротивление то увеличиваются, то уменьшаются. Сила Лоренца увеличивается по синусоиде, достигающей пика на 90 градусов от точки отсчёта (от точки, в которой поля статора и ротора выровнены).
Сила манитного сопротивления циклично меняется в два раза быстрее, поэтому достигает пика на 45 градусах.
Поскольку силы достигают максимума в разных точках, максимальная сила мотора меньше, чем сумма его частей. Допустим, у какого-то определённого мотора в определённый момент работы оказывается, что оптимальным углом для максимума суммарной силы будет 54 градуса. В этом случае этот пик будет на 14% меньше, чем суммарные пики двух сил. Это наилучший из возможных компромиссов данной схемы.
Если бы мы могли переделать этот мотор так, чтобы две силы достигали максимума в одной точке цикла, мощность мотора возросла бы на 14% совершенно бесплатно. Вы бы потеряли только эффективность работы в роли генератора. Но мы, как будет показано далее, нашли способ восстановить и эту способность, чтобы мотор лучше восстанавливал энергию при торможении.
Разработка идеально выравнивающего поля мотора – дело непростое. Проблема состоит в комбинации PMSM и SPSM в новую гибридную схему. В результате получается гибридный синхронный мотор со смещённой осью магнитного сопротивления. По сути, этот мотор использует как провода, так и постоянные магниты, для создания магнитного поля в роторе.
Другие пытались работать в этом направлении, а затем отбросили эту идею – но они хотели использовать постоянные магниты только для усиления электромагнитного поля. Наша инновация состоит в использовании магнитов только для придания точной формы полю, чтобы оптимально выровнять две силы – силу Лоренца и силу магнитного сопротивления.
Основная проблема в разработке состояла в поиске такой конструкции ротора, которая могла бы менять форму поля, оставаясь при этом достаточно прочной для того, чтобы вращаться на высоких скоростях, не ломаясь при этом. В центре нашей схемы – многослойная структура ротора, несущего медную намотку на железном сердечнике. Мы приклеили постоянные магниты к полюсам сердечника; дополнительные шипы препятствуют их вылету. Чтобы всё удерживалось на месте, мы применили крепкие и лёгкие титановые штифты, пропущенные через электромагнитные полюса ротора, притянутые гайками к кольцам из нержавеющей стали.
Мы также нашли способ обойти недостаток первоначального мотора, уменьшение крутящего момента во время работы генератором. Теперь мы можем менять направление поля в роторе так, что генерация во время рекуперативного торможения работает так же эффективно, как режим мотора.
Этого мы добились, меняя направление тока в намотке ротора во время работы в режиме генератора. Работает это следующим образом. Представьте себе первоначальный вид ротора. Если идти по его периметру, вы обнаружите определённую последовательность северных и южных полюсов электромагнитных (Е) и постоянных магнитных (P) источников: NE, NP, SE, SP. Эта последовательность повторяется столько раз, сколько в моторе пар полюсов. Меняя направление тока в обмотке, мы меняем ориентацию электромагнитных полюсов, и только их, в результате последовательность превращается в SE, NP, NE, SP.
Изучив две этих последовательности, вы увидите, что вторая похожа на первую, идущую задом наперёд. Это значит, что ротор можно использовать в режиме мотора (первая последовательность) или в режиме генератора (вторая), когда ток в роторе меняет направление на противоположное. Таким образом наша машина работает более эффективно, чем обычные моторы, как в роли мотора, так и в роли генератора. На нашем прототипе изменение направления тока занимает не более 70 мс, что достаточно быстро для автомобилей.
В прошлом году мы построили прототип мотора на верстаке и подвергли его тщательным проверкам. Результаты ясны: при той же самой силовой электронике, параметрах статора и других ограничениях обычного мотора, машина способна выдавать почти на 6% больше крутящего момента и на 2% больше эффективности в пике. В цикле езды результаты ещё лучше: ей требуется на 4,4% меньше энергии. Это значит, что машина, проезжающая на одной зарядке 100 км, проехала бы с этим мотором 104,4 км. Дополнительные километры достаются нам почти задаром, поскольку в нашей схеме есть всего несколько дополнительных частей, заметно менее дорогих, чем дополнительные батарейки.
Мы связались с несколькими производителями оборудования, и они нашли нашу концепцию интересной, хотя пройдёт ещё много времени до того, как вы увидите один из таких асимметричных моторов в серийном автомобиле. Но появившись, в результате он станет новым стандартом, поскольку извлечение всей возможной пользы из имеющейся у вас энергии стоит в приоритете как для автопроизводителей, так и для всего нашего общества.
Проверенный и надежный электродвигатель для инновационного электромобиля * — Применения — Приводные системы — Каталог статей
Миа электрик» (Mia electric) является новым изготовителем, специализирующимся исключительно на разработке электромобилей. Компания предлагает экономичные средства передвижения с нулевым локальным выбросом вредных веществ и в доступном большому количеству людей ценовом сегменте. Это является ответом на потребности людей, живущих как в небольших городах, так и в крупных метрополиях и на постоянный рост цен на ископаемое топливо. Компания находится в собственности Франко-Германского партнерства и находится в Западной Франции, в городе Серизе, Дё-Севр, Франция. Завод компании оснащен по последнему слову техники и может производить 12000 машин в год или 1000 электромобилей в месяц. В компании работают 450 человек. «Миа Электрик» была официально представлена на Автомобильной выставке в Женеве «Geneva Motor Show» в марте 2012 года. Компания была преобразована из автомобильной инжиниринговой фирмы Heuliez.
«Миа» (Mia) является первой моделью, реализуемой Миа электрик. С сентября 2011 года, электромобиль «Миа» продается частным лицам. Этот электромобиль разработан для городских условий и занимает исключительные позиции с точки зрения требований, которым он удовлетворяет: «Компактность, вместительность, простота в управлении, доступность, экономичность, удовольствие».
Патрик Ларжё (Patric Largeau) из «Миа электрик» объясняет: «Несколько критериев привели к решению выбрать правильный двигатель. В первую очередь, характеристики двигателя: Он должен быть компактным, обеспечивать хорошую выработку на единицу массы и снизить объем и вес аккумуляторных батарей. Затем, чрезвычайно важным является способность поставщика принять участие в разработке изделия в соответствии с подходами принятыми для разработки автомобильных компонент. И наконец, нам необходимо очень надежное решение для того, чтобы наши покупатели не имели проблем. Более того, для «Миа» мы на ранней стадии приняли решение использовать стандартное изделие, не только из-за того, что автомобиль должен был быть разработан быстро, но и так же потому, что мы нуждались в хорошо зарекомендовавшем себя и надежном решении».
«Мы изучили множество возможных поставщиков и с нашей точки зрения Лерой Сомер (Leroy-Somer) был наилучшим выбором. Лерой Сомер действительно имеет технологическое превосходство в производстве электродвигателей для автомобилей. Они действительно обеспечили поддержку на всех этапах разработки, начиная с технических аспектов, и заканчивая рабочими группами «по конкурентности». Так же огромным преимуществом при интеграции их решения явилось понимание принципа работы всего комплекса электропривода автомобиля. Мы убедились в надежности Лерой Сомер. Я бы добавил еще одно преимущество возможности дальнейшего развития, которое мы получили привлекая Лерой Сомер: они являются одним из немногих производителей, с которыми можно переключиться с асинхронных электродвигателей на синхронные электродвигатели с постоянными магнитами с теми же техническими гарантиями», продолжает Патрик Ларжё.
«Электромобиль «Миа» был разработан для выполнения определенных требований: покрытия 80% городских поездок. «Миа» имеет автономность 80 км для модели с двигателем 8 кВт и 130 км для модели с двигателем 12 кВт. Электромобиль является элегантным, экономичным и экологичным решением для передвижения по городу. Автомобиль имеет уникальный и привлекательный дизайн и очень практичен: сдвижные двери открывают проем от самой крыши до пола с обеих сторон и делают посадку и загрузку грузов в электромобиль удобной и простой. Кроме этого, такие сдвижные двери делают простой посадку на заднее сиденье ребенка. Центральное положение сиденья водителя обеспечивает безопасное и осторожное вождение.»
Пьерр-Эммануэль Сарр (Pierre-Emmanuel Sarre), Президент Подразделения Приводных Систем компании Лерой Сомер объясняет: «Мы инвестировали необходимые ресурсы для удовлетворения наших амбиций в этом секторе рынка».
В компании Лерой Сомер (Leroy-Somer) создан так называемый Центр Превосходства, объединяющий специалистов различного профиля и ориентированных на сектор электромобилей. В этим центре работают 15 конструкторов и инженеров, отвечающих за соответствие конструкции электродвигателя стандартам качества автомобильной промышленности. Компания так же опирается на опыт и знания 500 сотрудников одного из своих заводов, на площадях которого изготавливаются электродвигатели для электромобилей. «Как доказательство нашей нашей ориентированности на этот рынок, мы выделили отдельный производственный участок, состоящий из двух линий: один для синхронных электродвигателей и другой для асинхронных машин», добавляет Пьерр-Эммануэль Сарр.
По словам Президента Подразделения Приводных Систем, Лерой Сомер имеет много выходов на рынок электромобилей: «Не смотря на огромный опыт нашей компании, нам приходится адаптироваться к специфическим требования автомобильного рынка. Мы создали отдельный испытательный комплекс для увеличения надежности двигателя и выполнения специфических требований к данному решению. Например, мы изменили пропитку обмоток для увеличения устойчивости к вибрациям. Учитывая опыт предыдущих серийных разработок, парк электромобилей, укомплектованных двигателями Leroy-Somer составляет более 10000 единиц, что доказывает проверенность и надежность нашего решения. И наконец, мы опережаем наших конкурентов с точки зрения удельной мощности электродвигателя и его компактности.»
«Сегодня Leroy-Somer разрабатывает и производит электродвигатели с очень высоким коэффициентом полезного действия (К.П.Д.) и непревзойденными показателями по компактности и снижению веса. Новые технологии помогают нам снизить массу мотора на 10…15%, что помогает увеличить автономность электромобиля».
Leroy-Somer разрабатывает и изготавливает моторы для электромобилей более 40 лет. В 1995 году, например, Leroy-Somer принял участие в запуске проекта «Пежо 106» (Peugeot 106), оборудованного электродвигателем постоянного тока с независимым возбуждением. Эта технология обеспечивает преимущество максимального момента двигателя на низкой скорости. Около 8000 двигателей было изготовлено по этой технологии. В то время, электромобиль «Пежо 106» (Peugeot 106) принимал участие в самом большом в истории Европы эксперименте по развитию парка самообслуживаемых электромобилей, который производился в городе Ля Рошель (La Rochelle). Это были реальные крупномасштабные испытания и для производителей автомобилей и для поставщиков комплектующих!
Огромный опыт, полученный компанией во многих проектах позволяет Leroy-Somer предлагать весь спектр технологий автомобильного электропривода:
- Асинхронные электродвигатели, с воздушным или водяным охлаждением, надежность и выносливость которых широко известна;
- Синхронные электродвигатели, отличающиеся особенно высокими параметрами энергоэффективности
- Новые электродвигатели с постоянными магнитами, имеющие беспрецедентные технические характеристики с точки зрения мощности, компактности и уровня шума.
Эти двигатели являются решениями для тягового привода транспортных средств и легких квадроциклов, тяжелых квадроциклов, трициклов, вспомогательного транспорта, тяговых электродвигателей гибридных автомобилей, а так же вспомогательных приводов систем охлаждения в грузовых рефрижераторах и систем кондиционирования автобусов.
«Нашей целью являются рынки с небольшой и средней серийностью и доля рынка электромобилей уже является существенной в нашем объеме производства», завершает Пьерр-Эммануэль Сарр. Учитывая современную интенсивность развития электромобилей, Leroy-Somer может рассчитывать на рост продаж в этом секторе на 50%.
Об Emerson (Эмерсон)
Об Emerson Industrial Automation TM
О Leroy-Somer
Volvo выбрала завод для производства электродвигателей :: Autonews
Компания Volvo начнет собирать электромоторы на своем заводе в шведском городе Шевде. Об этом говорится в пресс-релизе бренда (имеется в распоряжении Autonews.ru). Как объяснили в компании, уже к середине текущего десятилетия на предприятии будет налажено полное собственное производство электродвигателей.
«На первом этапе на заводе в Шевде будет осуществляться только сборка электродвигателей. На более позднем компания планирует полностью реализовать производственный процесс электродвигателей», — говорится в сообщении Volvo.
На эти цели шведы планируют выделить 68 млн евро. Volvo планирует, что продажи к 2025 г. на 50% будут приходиться на электромобили. Другая половина продаж, по их плану, должна приходиться на гибриды. В настоящий момент проектирование и разработка электродвигателей компании происходят в Гетеборге (Швеция), а также в Шанхае (Китай).
Что касается обычных ДВС, то они также будут производится на заводе Шевде. Однако их выпуском теперь будет заниматься «дочка» Volvo под названием PES (Powertrain Engineering Sweden), которая объединит этот процесс с Geely.
В Volvo напомнили, что их самый первый автомобиль 1927 г. комплектовался двигателем, построенным в Шевде. В компании надеются, что теперь предприятие станет частью «захватывающего будущего» шведской компании.
В Volvo называют электрификацию частью своего комплексного плана по борьбе с изменением климата и хотят уменьшить углеродный след от своей деятельности. К 2040 году шведский автопроизводитель намерен стать климатически нейтральной компанией — помимо перехода на электрокары это означает, что Volvo будет перерабатывать и повторно использовать материалы, а также избегать выбросов углерода от своей производственной сети и других более широких операций, в том числе в цепочках поставок.
Первый электрокар шведской компании носит название XC40 Recharge P8. В России продажи этого автомобиля стартуют в следующем году. «Зеленый» кроссовер укомплектовали двумя электромоторами — по одному на каждой из осей. Суммарная мощность составляет 408 л. с. и 660 Нм крутящего момента. Разгон до сотни занимает у электрокара 4,9 секунды. Максимальная скорость — 180 км в час.
Автомобили с электрическим двигателем: плюсы и минусы электромобиля
Как отмечают многие эксперты, электрический автомобиль сегодня является не просто альтернативой, а уже составляет прямую конкуренцию для привычного двигателя внутреннего сгорания.
Конечно, о массовом вытеснении ДВС речь пока не идет, однако специалисты полагают, что это всего лишь вопрос времени. Дело в том, что на фоне глобального экологического и топливного кризиса у электромобилей появились все шансы отодвинуть поршневые моторы на задний план.
Более того, если судить по количеству проектов и объемам вложенных в разработку электрокаров средств, тогда невольно напрашивается вывод о том, что и сами автопроизводители прочат электромобилям большое будущее.
В этой статье мы рассмотрим устройство и общий принцип работы ТС на электротяге, их особенности, преимущества и недостатки. Также мы попробуем разобраться, какой вариант предпочтительнее, электромобиль или гибрид, что лучше выбрать в том или ином случае и т.д.
Содержание статьи
Электромобили: особенности электрических авто
Начнем с того, что до недавнего времени автомобили с гибридным двигателем марки Toyota и других фактически являлись одним из наиболее предпочтительных, востребованных и распространенных вариантов по всему миру. За примерами не нужно далеко ходить, так как достаточно вспомнить премиальную модель Lexus RX450h F Sport или более скромный и доступный Toyota Prius и т.д.
При этом даже сегодня сложившаяся ситуация не сильно поменялась, хотя за последнее время на рынке появилось большое количество конкурентов, которые способны предложить потребителю различные версии так называемых «зеленых» авто.
Дело в том, что при всех своих плюсах автомобили с гибридными двигателями все же представляют собой неразрывный симбиоз электромотора и ДВС. Это значит, что речь больше идет об экономии топлива, при этом «нулевых» выбросов в атмосферу и полного отказа от нефтепродуктов при использовании таких машин добиться все равно не получается.
Поршневой двигатель, который нельзя исключить из общей схемы гибрида, продолжает нуждаться в горючем, его система смазки требует моторного масла и т.д. По этой причине гибридная силовая установка может скорее считаться очередным витком эволюции ДВС, но никак не полноценным альтернативным вариантом.
С учетом вышесказанного становится понятно, что на сегодняшний день отказ от ДВС способен предложить только полностью электрический автомобиль. Кстати, идея далеко не новая, так как первые машины с электромотором появились даже раньше транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания.
Однако на начальном этапе создатели электрических авто столкнулись с массой проблем (малый запас хода, большой вес, сложность зарядки батарей и т.д.), в результате чего такой вариант не выдержал конкуренции, а моторы на бензине и солярке быстро и надолго вытеснили электрокары.
Все изменилось относительно недавно, в частности благодаря развитию современных технологий и созданию необходимых устройств для накопления и хранения электроэнергии. Простыми словами, речь идет об энергоемких батареях для электромобилей, а также о решениях для их быстрой подзарядки.
В результате электрокар совсем недавно стал общедоступным серийным продуктом. Такие автомобили в наши дни производятся японскими, европейскими, американскими, а также китайскими производителями. Отдельно стоит выделить популярный электрокар Nissan Leaf, хорошо известные модели Tesla Model S и Roadster, а также Toyota RAV4EV, BMW Active C и т.д.
Схема устройства электрической машины
Начнем с того, что конструкция предполагает намного меньше подвижных деталей по сравнению с ДВС. Другими словами, электромобиль устроен проще, а простота всегда означает повышенную надежность.
Основными конструктивными элементами являются:
- аккумулятор
- электромотор;
- упрощенная трансмиссия;
- специальное зарядное устройство на борту;
- инвертор и преобразователь постоянного тока;
- развитая система электронного управления;
Батарея в электромобилях нужна для питания электродвигателя. Указанная тяговая аккумуляторная батарея сегодня литий-ионная и состоит из модулей (банок), которые последовательно соединяются между собой. Что касается емкости, на разных моделях доступны различные варианты. Как правило, батарея подбирается к автомобилю исходя из мощности электромотора.
Тяговый электродвигатель создает крутящий момент на колесах автомобиля и является трехфазным синхронным или асинхронным двигателем переменного тока (асинхронные), выдавая, в среднем, от 20 до 150 кВт и более. Отметим, что КПД у электромотора намного выше двигателя внутреннего сгорания, особенно бензинового. Другими словами, потери полезной энергии в ДВС могут доходить до 70%, тогда как у электродвигателя теряется только 10%.
Как уже было сказано, электрический автомобиль приводится в движение от электромоторов, которых при этом может быть несколько. Питание электромотора обычно реализовано от аккумуляторной батареи, при этом также возможно использование солнечных батарей и т.п. Однако на практике серийные электрокары зачастую оснащаются только аккумуляторной батареей.
Такая батарея нуждается в зарядке, которая может происходить как от внешнего источника, так и во время движения электрического авто. Во втором случае речь идет о рекуперации энергии торможения.
Итак, основными преимуществами электродвигателя можно считать доступный максимум крутящего момента на любой скорости, такой двигатель может крутить колеса назад и вперед без необходимости устанавливать дополнительные решения. Также выделяют отсутствие необходимости охлаждать такой мотор, электродвигатель способен выполнять функции генератора и т.д.
Как правило, в электрокарах сегодня установлены сразу несколько электродвигателей (на каждое колесо). В результате тяга значительно улучшается сравнительно со схемой, которая предполагает оснащение одним электромотором.
Также встречаются решения, когда электродвигатель фактически установлен в колесе. С одной стороны, трансмиссия в этом случае максимально упрощается, однако увеличивается количество неподрессоренных масс и страдает общая управляемость машины.
Кстати, трансмиссия электрокаров сама по себе изначально простая и зачастую представляет одноступенчатый зубчатый редуктор. Что касается зарядного устройства, решение располагается на самом авто и дает возможность заряжать батарею, причем от обычной электророзетки. Также существует отдельный «выход» для быстрой зарядки батареи на специальных станциях.
Инвертор служит для того, чтобы реализовать преобразование постоянного тока от батареи в трехфазное напряжение переменного тока. Именно такой ток нужен для питания электромотора.
Еще отметим, что в конструкцию электромобилей включено и подобие хорошо знакомой автомобилистам АКБ на 12 Вольт. За зарядку такого дополнительного аккумулятора в этом случае отвечает преобразователь постоянного тока, а сама батарея нужна для питания различных бортовых устройств и систем (электроусилитель руля, габариты и свет фар, климатическая установка, подогрев стекол и сидений, аудиосистема с акустикой и т.д.).
Электронная система, которая играет роль ЭСУД в электромобиле, имеет целый набор функций. Система отвечает за активную безопасность, контролирует работу электромоторов, следит за состоянием тяговой батареи и уровнем заряда, определяет расход энергии и задействует режимы энергосбережения при езде и т.д.
Если говорить об устройстве, имеется блок управления (аналогично ЭБУ) и большое количество датчиков, а также различные исполнительные устройства. Датчики фиксируют скорость автомобиля, степень нагрузки на электромоторы, а также положение педали газа тормоза и ряд других параметров.
Сигналы от датчиков поступают в контроллер, после чего блок стремится создать наилучшие условия применительно к тому или иному режиму во время движения электрокара. Также на панели приборов водитель может наблюдать информацию о скорости движения, потреблении заряда, остаточном заряде, сколько километров еще можно проехать и т.д.
Виды электромобилей и практическая эксплуатация: плюсы и минусы электрокаровМировые автопроизводители в этой области сегодня идут двумя путями:
- создаются абсолютно новые модели электрических авто;
- происходит трансформация уже имеющихся в линейке производителя автомобилей в электрокар;
Еще электромобили можно условно разделить на несколько типов. Как и в случае с ДВС, машины давно принято делить на городские малолитражки, спорткары и т.п. С электромобилями ситуация похожая.
- Существуют электрические авто, которые позиционируются в качестве решений исключительно для города. Максимальная скорость у таких ТС относительно низкая (чуть более 100 км/ч), а также сравнительно небольшой запас хода (70-80 км.) в режимах средних и высоких нагрузок.
- Также следует выделить «универсальный» вариант. Такие электрические авто способны разгоняться до 140-160 км/ч, автономность также увеличена. Это позволяет совершать поездки по трассе.
- Что касается спортивных версий, такие электромобили имеют «максималку» около 200 км/ч и выше. Разгонная динамика также весьма впечатляет. Например, сегодня электрокары фирмы Тесла способны набрать «сотню» меньше чем за 3 сек., а максимальная скорость самого быстрого электромобиля в мире, который был построен на базе Chevrolet Corvette американской компанией Genovation, во время испытаний в 2017 году перевалила за 300 км/ч.
Казалось бы, такие машины вплотную приблизились по ряду важнейших показателей к автомобилям с ДВС. На первый взгляд, у электромобилей появилась достаточная автономность и приемлемая динамика разгона. Также можно выделить простоту эксплуатации, низкие расходы на содержание и обслуживание, что обязательно должно склонить разумных потребителей к выбору именно электрического авто. Однако на практике все выглядит несколько иначе.
Сразу отметим, именно особенности эксплуатации и ряд других факторов до сих пор не позволяют электрокарам стать массовым решением. Прежде всего, стоимость такого транспорта продолжает оставаться достаточно высокой на фоне конкурентов с бензиновым или дизельным ДВС.
Более того, экономичность современных дизельных моторов позволяет этим агрегатам серьезно конкурировать не только с бензиновыми авто, но и с электромобилями. Еще следует отдельно выделить то, что от бытовой розетки аккумулятор электрокара заряжается долго, а станции для быстрой подзарядки встречаются не часто по причине слабого развития инфраструктуры. Особенно это актуально для стран СНГ.
Что касается автономности, те данные, которые заявлены производителем, часто не совсем соответствуют действительности. Первое, на практике, особенно в холодное время года, батарея разряжается быстрее.
Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель FSI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях, а также о преимуществах и недостатках данного типа моторов.Второе, если водитель практикует динамичную езду, тогда полного заряда батареи может хватать не на 70-80 км. по городу, а всего лишь на 40-50. Для подтверждения этой информации достаточно ознакомиться с реальными отзывами владельцев Nissan Leaf, так как эта бюджетная версия электромобиля по цене является одной из самых доступных и сегодня наиболее распространена.
Простыми словами, пробег электромобиля без подзарядки не постоянен, а зависит от многочисленных факторов, начиная от состояния и емкости батареи и заканчивая стилем вождения. Если к этому добавить использование кондиционера, габаритов, подогревов и других решений, тогда на одном заряде даже при идеальных дорожных условиях пробег неизбежно сократится на 20-30% и более.
Если же при этом стиль вождения активный (постоянно превышает среднюю скорость 60 км./ч), тогда вполне можно рассчитывать и на все 50%. Получается, если производитель обещает 140-160 км на одном заряде, то данный показатель предполагает езду со скоростью не более 70 км/ч, и то при условии полностью исправной батареи (без потери емкости аккумулятора).
Однако если разгонять электрокар, например, до 130 км/ч по трассе, тогда пробег без подзарядки составит всего 70 км. Как видно, если для города это еще приемлемо, то использовать электромобиль для загородных поездок весьма затруднительно.
Теперь несколько слов о батарее. Аккумулятор, который сегодня повсеместно используется, литий-ионный. Для его производства необходимы большие затраты, что сильно влияет и на общую стоимость электрических авто. При этом срок службы таких батарей ограничен средней отметкой около 5 лет.
Это значит, что хотя базовые расходы на содержание электрического автомобиля в несколько раз ниже аналогов с ДВС, более высокая начальная стоимость и необходимость замены дорогостоящей батареи (в среднем, через 5 лет) ставят экономические преимущества и целесообразность покупки такого авто под большое сомнение. Еще к этому стоит добавить и постоянный рост цен на электроэнергию, то также отражается на стоимости владения электромобилем.
Что в итоге
С учетом вышесказанного становится понятно, что активное внедрение инновационных технологий позволило значительно увеличить автономность современного электромобиля. Однако применение таких технологий сильно влияет на конечную стоимость транспортного средства, не позволяя сделать его массовым решением.
Что касается более доступных по цене версий, аккумуляторы, время зарядки от бытовой сети около 7-8 часов, а также небольшой запас хода продолжают оставаться слабыми местами таких электромобилей.
Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель GDI. Из этой статьи вы узнаете об отличительных особенностях конструкции, а также о плюсах и минусах силовых агрегатов данного типа.Еще следует отметить то, что далеко не во всех странах наблюдается активное развитие инфраструктуры в виде создания специальных станций для быстрой зарядки или замены батарей. Также обстоят дела и со специализированными сервисами по ремонту и обслуживанию электромобилей. Если в Европе и США этому вопросу уделяется большое внимание, на территории СНГ, к сожалению, все еще нельзя говорить о создании приемлемых условиях для нормальной эксплуатации электрокаров.
Вполне возможно, что в скором времени ситуация изменится, однако сегодня электромобиль на отечественных дорогах продолжает оставаться большой редкостью. Обычно такую машину можно встретить в крупных городах. При этом обеспеченные владельцы зачастую приобретают электрические автомобили скорее для развлечения, нежели в практических целях.
Другими словами, для подавляющего большинства водителей не стоит рассматривать электромобиль в качестве основного и постоянного транспортного средства, особенно если говорить о странах на территории СНГ.
Читайте также
Двигатель: электрокардиограмма — журнал За рулем
Общую концепцию будущего электромобиля мы сформировали в прошлом номере. Переходим к более подробной проработке отдельных агрегатов и систем.
Синхронный трехфазный электродвигатель переменного тока «Ниссана-Лиф», соединенный с редуктором и дифференциалом. Заявленные параметры мотора: мощность 80 кВт/109 л.с., максимальный крутящий момент 280 Н.м.
Синхронный трехфазный электродвигатель переменного тока «Ниссана-Лиф», соединенный с редуктором и дифференциалом. Заявленные параметры мотора: мощность 80 кВт/109 л.с., максимальный крутящий момент 280 Н.м.Синхронный трехфазный электродвигатель переменного тока «Ниссана-Лиф», соединенный с редуктором и дифференциалом. Заявленные параметры мотора: мощность 80 кВт/109 л.с., максимальный крутящий момент 280 Н.м.
Вдоль, поперек или по диагонали
В споре за место под капотом электромоторы легко заткнут двигатели внутреннего сгорания за пояс. Судите сами. Ездовые характеристики более удобные — максимальный крутящий момент доступен уже с начальных оборотов. Коэффициент полезного действия выше в разы — у некоторых электродвигателей он доходит до 95%. Лучшие показатели удельной мощности — при одинаковых киловаттах и ньютон-метрах электромоторы легче и компактнее, что очень удобно при компоновке автомобиля. Кроме того, электромотору не нужны многие дополнительные агрегаты вроде стартера или генератора, а широкий рабочий диапазон позволяет ему обходиться без коробки передач. И вот что еще немаловажно — дополнительные узлы и агрегаты (блоки управления, зарядки, инверторы) проще раскидать по всей платформе, ведь между ними не механическая, а электрическая связь.
А когда руки у конструкторов развязаны, появляются оригинальные и всплывают почти уже забытые решения. Например, двигатель расположен в корме и приводит в движение задние колеса. Такая схема реализована на платформе, которую делят Mitsubishi i-MiEV, Peugeot iOn и Citroen С-Zero. Аналогичную компоновку выбрали и разработчики электрического Smart. Не стоит, однако, забывать, что базой для всех этих машин послужили заднемоторные модели с ДВС.
Но как бы ни был привлекателен подход некоторых конкурентов, мы решили придерживаться доминирующей на современных автомобилях переднеприводной схемы. В первую очередь, чтобы максимально освободить место в хвостовой части для багажа и запасного колеса. Большинство вспомогательных агрегатов разместим под капотом — за развесовку можно не волноваться, батареи помогут восстановить требуемый баланс.
От мотор-колес решили отказаться, еще когда обсуждали общую концепцию (см. ЗР, 2011, № 3). Но это не означает, что у каждого колеса не будет собственного электромотора.
У полноприводного электрокара Mercedes-Benz SLS каждое колесо приводит в движение собственный электромотор. Реализуем такую же схему, только в варианте с двумя ведущими. От двух компактных электромоторов идут приводы к колесам.
У полноприводного электрокара «Мерседес-Бенц SLS» каждое колесо приводит в движение собственный электромотор. Реализуем такую же схему, только в варианте с двумя ведущими. От двух компактных электромоторов идут приводы к колесам.
1 — блоки управления мощностью;
2 — электродвигатели;
3 — трансмиссия;
4 — колеса с энергосберегающими шинами.
Два компактных агрегата подвешены на подрамнике, а к ступицам через редукторы (они понижают скорость вращения) идут приводы. Преимущества такой схемы перед одномоторной — компактность и меньшая масса: отпадает необходимость в дифференциале, вдобавок ниже механические потери. Кроме того, проще и рациональнее дозировать тягу отдельно на каждом колесе, нежели посредством тормозных механизмов. Недостаток, пожалуй, один — сложнее система управления электромоторами, замысловатее алгоритмы их работы.
Кто в сети?
Дело за малым — определить параметры и тип двигателей. Итак, требуется получить суммарную мощность 50–55 кВт и крутящий момент 200 Н.м. Этого вполне достаточно для уверенного разгона автомобиля полной массой примерно полторы тонны. Естественно, киловатты и ньютон-метры поделим поровну между двумя электромоторами. Ради экономии места агрегаты выполним максимально компактными. Настолько, чтобы не возникло сложностей с отводом тепла. Ведь мы не планируем тратить дополнительные средства на водяное охлаждение — тепло должны эффективно отводить воздушные потоки.
На первый взгляд, проще всего выбрать электромотор, питаемый постоянным током, который запасен в аккумуляторах. Но у этого типа двигателей есть один существенный минус. Они менее долговечны и надежны, в первую очередь, из-за изнашиваемого щеточного узла, подающего питание на обмотки ротора. Куда менее прихотливы агрегаты переменного тока. Раньше их редко применяли на такой технике из-за дорогих инверторов, преобразующих постоянный ток в переменный. Ныне эти полупроводниковые приборы стоят отнюдь не заоблачных денег, потому электромобиль с электродвигателем постоянного тока найдешь разве что в мастерских Самоделкиных.
Для многих гибридов синхронные электромоторы переменного тока выполняют в форме диска, чтобы проще было встроить его между двигателем и коробкой передач. Ротор в таких конструкциях может быть как внутри (на фото), так и снаружи. Последний вариант идеален для мотор-колеса.
Гибридный синхронный электромотор
1 — статор с обмотками возбуждения;
2 — ротор с постоянными магнитами;
3 — разъем для подключения;
4 — защитная крышка с подшипником;
5 — сцепление.
На большинстве гибридов и некоторых электромобилях устанавливают синхронные электромоторы. Одно из преимуществ перед также применяемыми асинхронными двигателями — более высокий КПД, обусловленный тем, что не надо создавать дополнительное электромагнитное поле для ротора. По этой же причине у ротора в синхронном моторе низкий момент инерции относительно крутящего момента, так как он следует точно за магнитным полем. Иными словами, такой двигатель быстрее и легче разгоняется, им удобнее управлять. Недаром большинство автомобильных компаний, разрабатывая новые модели, отдают предпочтение именно таким электромоторам. Правда, с оглядкой на цену, ведь синхронники дороже в производстве. Но количество заказов год от года растет — и, естественно, падает стоимость этих агрегатов. Судя по тенденции, через несколько лет, когда как раз появится наш электромобиль, синхронные двигатели полностью вытеснят асинхронные из-под капота.
За исключением некоторых нюансов, техзадание на двигатель сформировали, осталось определиться с производителем. Впрочем, еще надо позаботиться о питании электромоторов. Итак, подбираем батарею аккумуляторов — отчет в ближайших номерах.
Знакомьтесь: электромотор
Устройство электродвигателя:
1 — корпус с ребрами для охлаждения;
2 — ротор;
3 — разъем для подключения;
4 — обмотки статора;
5 — вал ротора.
ЭЛЕКТРОМОТОР
Принцип работы любого электродвигателя основан на явлении электромагнитной индукции: при изменении магнитного потока в замкнутом контуре возникает электродвижущая сила. Электрический ток, подаваемый на обмотки статора, создает магнитное поле, заставляющее ротор вращаться. В первой половине XIX века российский физик и изобретатель Б.С. Якоби подарил миру первый электродвигатель постоянного тока.
Новый источник движения быстро совершенствовался, росла его область применения. Но к концу этого же столетия появился более эффективный агрегат — трехфазный электромотор переменного тока. На автомобилях с гибридными и электрическими приводами чаще всего встречаются два типа таких двигателей: синхронный и асинхронный.
Основное отличие: у первых ротор вращается с той же скоростью (синхронно), что и магнитное поле, создаваемое статором, а у вторых ротор немного отстает. Яркое конструктивное отличие — в устройстве ротора. У синхронного мотора он состоит из постоянных магнитов, а у асинхронного — из короткозамкнутой обмотки, в которой под действием магнитного поля статора индуцируется ток.
Примерно такое же размещение узлов и агрегатов, связанных с двигателем, будет на нашем электромобиле.
Для многих гибридов синхронные электромоторы переменного тока выполняют в форме диска, чтобы проще было встроить его между двигателем и коробкой передач. Ротор в таких конструкциях может быть как внутри (на фото), так и снаружи. Последний вариант идеален для мотор-колеса.
10 факторов, которые следует учитывать при выборе электродвигателя
Выбрать электродвигатель, подходящий для конкретного автомобиля, не всегда просто. Необходимо учитывать так много переменных, что бывает сложно понять, с чего начать. Учитывая цену на аккумуляторы и электродвигатели, чтобы найти наиболее экономичное решение, вам следует искать трансмиссию, которая будет максимально соответствовать требуемым характеристикам автомобиля.
В этой статье мы рассмотрим 10 основных вопросов, на которые вам нужно ответить, прежде чем пытаться найти правильный двигатель для вашего проекта.По сути, вам необходимо определить наиболее строгие требования к вашему автомобилю, а также оценить, как различные дорожные условия повлияют на характеристики трансмиссии:
1. Характеристики транспортного средства
Свойства транспортного средства, такие как размер, вес, перегрузка и аэродинамика. являются ключевыми характеристиками транспортного средства, которые в конечном итоге будут определять скорость, крутящий момент и мощность электродвигателя. Эти аспекты помогут понять влияние условий эксплуатации транспортного средства и имеют важное значение для выбора правильной трансмиссии.Сделайте так, чтобы они могли сделать следующие шаги.
2. Циклы движения
Очень важно, как используется транспортное средство. Каковы будут обычные ездовые циклы транспортного средства? Будет ли он ездить по городу с большим количеством остановок? Будет ли он ездить на большие расстояния с несколькими остановками? Все это поможет определить конфигурацию автомобиля (последовательный гибрид, параллельный гибрид, полностью электрический) и размер аккумуляторной батареи и, в конечном итоге, повлияет на выбор трансмиссии.
3.Конфигурация автомобиля (электрический, гибридный)
Является ли автомобиль гибридным или полностью электрическим? Если гибрид, это параллельный гибрид или последовательный гибрид? Как показывает практика, если маршруты транспортного средства непредсказуемы или он будет перемещаться на большие расстояния, обычно предпочтительнее гибридная архитектура.
Полная электрическая конфигурация хорошо подходит для езды по городу, когда расстояние между точками зарядки не слишком велико, скорость низкая, а количество остановок велико.
TM4 может предложить большинство из этих конфигураций.
4. Максимальная скорость
Какова целевая максимальная скорость транспортного средства? Как долго его нужно выдерживать, может быть, его используют только для прохождения?
Какие передаточные числа доступны в коробке передач (при использовании коробки передач) и передаточное число дифференциала? Какой радиус качения колеса? На все эти вопросы необходимо ответить и использовать их в расчетах для определения максимальной скорости, которую электродвигатель должен достичь в вашем приложении.
5. Максимальный крутящий момент
Максимальный крутящий момент позволяет автомобилю трогаться с места на заданном уклоне.Вам нужно найти самый высокий уровень, который понадобится транспортному средству для подъема. Используя эту оценку, можно рассчитать максимальный крутящий момент, требуемый электродвигателем, с учетом дифференциала и коробки передач (при использовании коробки передач!). Также следует учитывать максимальный вес.
6. Максимальная мощность
Некоторые уклоны нужно преодолевать с минимальной скоростью, другие нет. Иногда максимальная мощность достигается просто на максимальной скорости (это тот случай, когда автомобиль имеет большую площадь лобовой части или движется с очень высокой скоростью).Это означает наличие двигателя, достаточно мощного, чтобы выдержать все различные условия, в которых может находиться транспортное средство!
Максимальная мощность позволяет транспортному средству достигать и поддерживать постоянную скорость в жестких условиях уклона и скорости. Чтобы рассчитать максимальную мощность, вам понадобится симулятор, который учитывает коэффициенты сопротивления и трения транспортного средства в дополнение к силам, необходимым для набора высоты.
Опять же, продолжительность состояния также имеет значение: в отличие от двигателей внутреннего сгорания, пиковая мощность электродвигателя не может поддерживаться непрерывно, и было бы слишком сложно выбрать электродвигатель, чтобы он мог справиться с наихудшими условиями подъема на гору с без ограничений по времени.
7. Емкость аккумулятора
Емкость аккумулятора обычно рассчитывается с использованием симулятора для прохождения эталонного цикла, типичного для использования транспортного средства. Симулятор может выводить потребление транспортного средства в кВтч / км. Исходя из этого значения, можно рассчитать емкость аккумулятора, умножив его на желаемый диапазон.
8. Напряжение аккумулятора
Напряжение аккумулятора зависит от размера автомобиля. По мере увеличения напряжения батареи выходной ток снижается.Таким образом, в случаях, когда непрерывная мощность транспортного средства высока, как в более крупных транспортных средствах, вы хотите сохранить размер проводов на управляемом уровне за счет увеличения напряжения аккумулятора.
Обычно существует два диапазона напряжений: 300–450 В постоянного тока и 500–750 В постоянного тока. Это связано с ограничением напряжения IGBT, используемым в контроллере двигателя, и двумя основными стандартными значениями напряжения, доступными для них: 600 В постоянного тока и 1200 В постоянного тока.
9. Коробка передач или прямой привод?
Потребуется ли коробка передач в архитектуре трансмиссии? Вы хотите сэкономить на расходах, связанных с внедрением передачи или / и упростить вашу систему?
Электрический силовой агрегат TM4 SUMO предлагает подход с прямым приводом: высокий крутящий момент / низкая скорость двигателя позволяет ему напрямую взаимодействовать со стандартными дифференциалами мостов без необходимости в промежуточной коробке передач.Повышая надежность системы и снижая общие затраты на техническое обслуживание, удаление трансмиссии в электромобиле также значительно увеличивает эффективность трансмиссии, позволяя оптимально использовать энергию, хранящуюся в аккумуляторной батарее.
10. Стоимость
И последнее, но не менее важное: каков ваш бюджет? В предыдущем сообщении в блоге мы рассмотрели различные технологии электродвигателей , доступные на рынке, их плюсы и минусы, а также их относительное использование в электромобилях.
После того, как вы соберете всю информацию, упомянутую выше, вам понадобятся правильные инструменты, которые позволят вам рассчитать требования к компонентам на основе характеристик транспортного средства. TM4 может помочь вам сделать осознанный выбор в выборе двигателя. Свяжитесь с нами, имея под рукой вышеуказанную информацию.
Кристиан Проновост получил степень бакалавра наук. получил степень в Политехнической школе Монреаля в Канаде в 1992 году и работает в TM4 с 1998 года в качестве старшего инженера-электрика.Он принимал участие в разработке базовой технологии электродвигателей тока и инверторов для автомобильных электрических силовых агрегатов. В настоящее время он работает менеджером по продуктовой стратегии линейки продуктов TM4; он выступает в качестве ведущего инженера по продукту, определяя потребности рынка и инновационные решения.
Последние сообщения Кристиана Проновоста (посмотреть все)Выбор правильного электродвигателя
Производители все чаще задумываются об энергоэффективности . Более зеленая и экологически чистая экономика — одна из целей Конференции Организации Объединенных Наций по изменению климата 2015 года, которую взяли на себя многие государства.Но прежде всего в целях ограничения потребления и экономии в последние годы промышленность приобретает более энергоэффективное оборудование. Согласно исследованию Европейской комиссии, на двигатели приходится 65% промышленного потребления энергии в Европе. Поэтому принятие мер в отношении двигателей является важным шагом на пути к сокращению выбросов CO2. Комиссия даже прогнозирует, что к 2020 году можно повысить энергоэффективность двигателей европейского производства на 20–30%. В результате будет на 63 миллиона тонн меньше CO2 в атмосфере и на 135 миллиардов киловатт-часов.
Если вы также хотите интегрировать энергоэффективные двигатели и получить сбережения, внося свой вклад в развитие планеты, вам сначала нужно взглянуть на стандарты энергоэффективности для двигателей в вашей стране или географической области . Но будьте осторожны, эти стандарты распространяются не на все двигатели, а только на асинхронные электродвигатели переменного тока .
Международные стандарты
- Международная электротехническая комиссия (МЭК) определила классы энергоэффективности для электродвигателей, размещенных на рынке, известные как код IE, которые кратко изложены в международном стандарте МЭК .
- IEC определила четыре уровня энергоэффективности, которые определяют энергетические характеристики двигателя:
- IE1 относится к СТАНДАРТНОЙ эффективности
- IE2 обозначает ВЫСОКИЙ КПД
- IE3 относится к ПРЕМИУМ-КПД
- IE4 , все еще изучается, обещает эффективность SUPER PREMIUM
- МЭК также внедрила стандарт IEC 60034-2-1: 2014 для испытания электродвигателей .Многие страны используют национальные стандарты испытаний, а также ссылаются на международный стандарт IEC 60034-2-1.
В Европе
ЕС уже принял несколько директив, направленных на снижение энергопотребления двигателей, включая обязательство производителей размещать на рынке энергоэффективные двигатели:
- Следовательно, класс IE2 является обязательным для всех двигателей с 2011 года
- Класс IE3 является обязательным с января 2015 года для двигателей мощностью 7.От 5 до 375 кВт (или IE2, если эти двигатели оснащены преобразователем частоты)
- Класс IE3 является обязательным с января 2017 года для двигателей мощностью от 0,75 до 375 кВт (или IE2, если эти двигатели имеют преобразователь частоты).
В США
В США действуют стандарты, определенные американской ассоциацией NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования). С 2007 года минимальный требуемый уровень установлен на IE2.
Та же классификация применяется к Австралия и Новой Зеландии .
Азия
В Китай корейские стандарты MEPS (минимальный стандарт энергоэффективности) применяются к трехфазным асинхронным двигателям малого и среднего размера с 2002 года (GB 18693). В 2012 году стандарты MEPS были гармонизированы со стандартами IEC, перейдя от IE1 к IE2, а теперь и к IE3.
Япония гармонизировала свои национальные правила с классами эффективности IEC и включила электродвигатели IE2 и IE3 в свою программу Top Runner в 2014 году.Представленная в 1999 году программа Top Runner вынуждает японских производителей постоянно предлагать на рынке новые модели, которые более энергоэффективны, чем предыдущие поколения, тем самым стимулируя эмуляцию и инновации в области энергетики.
Индия имеет знак сравнительной эффективности с 2009 года и национальный стандарт на уровне IE2 с 2012 года.
В поисках двигателя для нашего самодельного электромобиля
Теперь, когда я купил машину для преобразования электроэнергии, следующим большим шагом будет поиск электродвигателя.
Все, что я узнал во время ускоренного курса по преобразованию электромобилей, предполагает, что самой сложной частью работы будет соединение электродвигателя с четырехступенчатой коробкой передач в VW Beetle 1967 года, который я переделываю. Мой план — купить двигатель, попросить кого-нибудь помочь мне установить его, а затем отвезти машину в гараж, чтобы сделать остальную работу.
Итак, какой мотор я использую?
Большинство домашних мастеров используют двигатели с большой обмоткой постоянного тока. Если вы читали мои предыдущие посты, то знаете, что я обычный Джо.Я не совсем понимаю, что означает «серийная обмотка», но я знаю, что такие двигатели обеспечивают большой крутящий момент на низкой скорости, и они отлично подходят для тяжелых нагрузок. Вот почему их часто можно встретить в тяжелом промышленном оборудовании, таком как вилочные погрузчики. Двигатели постоянного тока, как правило, представляют собой щеточные двигатели, и их преимущество состоит в том, что они просты, дешевы (термин относительный) и просты в обслуживании.
Но есть и недостатки. Щетки требуют периодической, хотя и нечастой замены. Большинство двигателей постоянного тока ограничены скоростью около 5000 об / мин, поэтому вам нужно прикрутить их к трансмиссии вашего автомобиля.Электродвигатели переменного тока, с другой стороны, могут вращаться на более высоких оборотах, что устраняет необходимость в сложной коробке передач. Например, в Tesla Roadster используется двигатель переменного тока, соединенный с односкоростной коробкой передач. Двигатели постоянного тока также немного менее эффективны, чем двигатели переменного тока, но самым большим недостатком является то, что большинство двигателей постоянного тока не способны к рекуперативному торможению.
Когда я начал свое исследование, я был удивлен, обнаружив, что большинство людей, выполняющих переоборудование, не используют рекуперативное торможение, которое отправляет часть кинетической энергии торможения обратно в аккумуляторы.Двигатели переменного тока обеспечивают возможность рекуперации почти по умолчанию, но используемые двигатели и оборудование (например, инвертор) намного дороже, а установка немного сложнее. Большинство домашних мастеров не считают, что соотношение затрат и выгод работает в пользу двигателей переменного тока.
Если бы мой бюджет позволял, я бы использовал двигатель переменного тока. Но это не так, поэтому я не буду. Несколько недель назад я разработал план с ребятами из The Electric Car Company of Utah по покупке и установке бывшего в употреблении двигателя постоянного тока, но после того, как я выкатил свой Жук в магазин и внимательно посмотрел на вещи, он не выглядел так. план получится.
Я встретил владельца магазина Карла Кларка через Кайла Дэнси, у которого есть пара самодельных электромобилей, и познакомил меня с Группой интересов электромобилей Юты. Толпа любителей электромобилей полна интересных персонажей, и Карл не исключение. Ему за 70, и на протяжении многих лет он был генеральным директором большой компьютерной компании, основал и покинул несколько предприятий и даже работал в сенате штата Юта. Он невероятно энергичен и заинтересован, и он сказал мне, что считает, что все нужно срочно, потому что у него осталось мало времени для достижения своих целей.Он идет полным ходом, когда большинство парней его возраста, которых я знаю, будут играть в гольф и нежиться на солнце во Флориде.
(PDF) Выбор ПРИВОДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ для электромобилей
для двигателей постоянного тока, IM приводов и приводов двигателей постоянного тока с постоянным током
, потому что их характеристики управления зависят от температуры
и их структур ротора. Кроме того, SRM
обычно имеют недорогую конструкцию из-за отсутствия обмоток
и постоянных магнитов в конструкции ротора.Этот
представляет особый интерес для электромобилей.
Отношение максимальной скорости к базовой скорости может достигать 5 ~ 6
и дает минимальную номинальную мощность для максимальных характеристик ускорения
и способности рекуперативного торможения. Известно, что приводы
SRM способны работать на высокой скорости
в широком диапазоне постоянной мощности. Поскольку необходима высокоскоростная работа
, обычно более 10 000 об / мин, приводы SRM
могут естественным образом удовлетворять этим критериям.PM
Моторные приводы BLDC, наоборот, должны иметь модификации ротора
, которые приводят к снижению производительности / стоимости для работы в
этом диапазоне скоростей. Что касается приводов IM, их максимальная скорость составляет
, как правило, менее 10 000 об / мин. Следовательно, приводы PM BLDC и IM
ограничены нижним диапазоном.
Отказоустойчивость также является важным вопросом и желательной особенностью
электромобилей. Обычно, когда компонент выходит из строя, желательно, чтобы
имел определенную избыточность, встроенную в электромобиль, например
, чтобы электромобиль мог работать до тех пор, пока не будет выполнено техническое обслуживание
.Однако для обеспечения этой избыточности стоимость
становится непомерно высокой. Мы рады, что приводы SRM, естественно, обладают отказоустойчивостью
. Для приводов двигателей IM и PM BLDC их электромеханическое преобразование энергии
зависит от надлежащего возбуждения
. Напротив, приводы SRM имеют дискретные
фазных обмоток и, таким образом, фазные обмотки
не зависят друг от друга. Следовательно, в приводе SRM, если одна фаза выходит из строя
, привод SRM все еще может работать с несколько ухудшенными характеристиками
до тех пор, пока не будет проведен ремонт.Кроме того, топология преобразователя
, используемая для SRM, защищает его от серьезного электрического повреждения
или сквозного сквозного прохода, что не устранено полностью
в приводах двигателей IM и PM BLDC.
Кроме того, с точки зрения безопасности и надежности приводы SRM
могут превосходить другие три типа моторных приводов. Следовательно, приводы
SRM подходят для многих приложений электромобилей, где безопасность и надежность
имеют ключевое значение или преобладают опасные атмосферы
.
Таким образом, после оценки компромиссов между эффективностью
, весом и стоимостью, охлаждением, максимальной скоростью, отказом
Допуск, безопасность и надежность для щеточных приводов постоянного тока, приводов
IM, приводов двигателей PM BLDC и приводов SRM Дисководы SRM
являются наиболее подходящими кандидатами, если оценивать оптимальный баланс
по этим критериям.
V. ВЫВОДЫ
В данном исследовании обсуждались шесть типов систем трансмиссии электрических моторных приводов
для электромобилей.Схема трансмиссии
с одноуровневым редуктором
хорошо подходит для электроприводов с широким диапазоном скоростей и высокой максимальной скоростью
в электромобилях. Кроме того, в этом документе
представлены основные запросы
электромобилей на приводы электродвигателей и ожидаемый выход
характеристик приводов электродвигателей.
Сравнительное исследование эффективности, веса, стоимости
, охлаждения, максимальной скорости, отказоустойчивости, безопасности и надежности
было выполнено для приводов SRM, IM, PM BLDC,
и щеточных двигателей постоянного тока.В частности, a) с точки зрения эффективности
приводы двигателей PM BLDC лучше, чем приводы SRM
, приводы IM и щеточные приводы двигателей постоянного тока; b) Вес приводов SRM
меньше, чем вес двигателей PM BLDC, IM и приводов щеточных двигателей постоянного тока
; c) Приводы с щеточными двигателями постоянного тока имеют наименьшую стоимость
среди этих четырех типов приводов; г) Принимая во внимание вышеупомянутые три критерия
, приводы SRM на
превосходят другие три типа моторных приводов.Кроме того, приводы
SRM также имеют преимущество в аспектах охлаждения, максимальной скорости
, отказоустойчивости, безопасности и надежности.
Таким образом, приводы SRM идеально подходят для современных приложений EV
.
СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
[1] А. Нагасака, М. Нада, Х. Хамада, С. Хирамацу, Ю. Кикучи и Х.
Като, «Разработка гибридного / аккумуляторного блока управления для системы Toyota Hybrid
. ”, Технология для электрических и гибридных транспортных средств, SP-1331,
Society of Automotive Engineers, Inc., США, 1998, стр. 19-27.
[2] Электромобиль: технология, характеристики и потенциал, Международное
Энергетическое агентство, ОЭСР / МЭА, 1993, Париж.
[3] Мунир Зераулиа, Мохамед Эль-Хашеми Бенбузид и Демба Диалло,
«Проблемы выбора привода электродвигателя для силовых установок HEV: сравнительное исследование
», IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR
TECHNOLOGY. 55, НЕТ. 6, НОЯБРЬ 2006 г., стр. 1756-1764.
[4] К. М. Рахман и М.Эхсани, «АНАЛИЗ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ
ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ГИБРИДНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ», IEEE Power Electronics in
Transportation, 24-25 октября 1996 г., стр. 49-56.
[5] С. Мур, К. М. Рахман и М. Эхсан, «Влияние на транспортное средство
Performance of Extension of Constant Power Area Electric Drive
Motors», Advance in Electric Vehicle Technology, SP-1417, Society of
Automotive Engineers, Inc., США, 1999, с. 37-41.
[6] Справочник по автомобильной силовой электронике и двигателям, отредактированный Али Эмади,
, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2005.
[7] И. Хусейн и М.С. Ислам, «Проектирование, моделирование и моделирование Система электромобилей
»,« Достижения в технологии электромобилей », SP-
1417, Society of Automotive Engineers, Inc., США, 1999, стр. 9-16.
[8] Л. Чанг, «Сравнение приводов переменного тока для электромобилей — отчет
по обзору мнений экспертов», журнал IEEE AES Systems, август
1994, стр.7-11.
[9] Джон Г.У. Вест, «Двигатели постоянного тока, индукционные, реактивные и двигатели с постоянным магнитом для электромобилей
», POWER ENGINEERING JOURNAL, АПРЕЛЬ 1994, стр. 77-88.
[10] Н. Н. Фултон, «Приводы SR для аккумуляторной электрической тяги — сравнительная оценка
», Коллоквиум IEE по двигателям и приводам для аккумуляторных батарей
Powered Propulsion, 15 апреля 1993 г., стр. 4/1 — 4/7.
[11] S.E. Гей, Х. Гао и М. Эхсани, «Гибридная приводная передача с топливными элементами
, конфигурацияи выбор моторного привода», 2002 IEEE 56-я конференция по автомобильным технологиям
, VTC 2002-Fal, Vol.2, 2002, стр. 24-28.
Конференция по энергетике австралийских университетов, 2008 г. (AUPEC’08)
Разрешенное лицензионное использование, ограниченное: Гонконгский политехнический университет. Загружено 30 июня 2009 г. в 04:50 с IEEE Xplore. Ограничения применяются.
Заткнись насчет батарей: ключ к лучшему электромобилю — это более легкий мотор
Keep On Turning: двигатель авторов представляет собой усовершенствование другой конструкции, в которой не использовались магниты для смещения поля. Фотографии: Технологический институт Карлсруэ
В течение первого десятилетия 1900-х годов 38 процентов всех автомобилей в Соединенных Штатах работали на электричестве, и эта доля снизилась практически до нуля, когда в 20-е годы доминировал двигатель внутреннего сгорания. Сегодняшние усилия по экономии энергии и сокращению загрязнения дали электромобилю новую жизнь, но его высокая стоимость и ограниченный диапазон поездок в совокупности удерживают показатели продаж на низком уровне.
Большинство попыток решить эти проблемы связаны с улучшением аккумуляторов. Конечно, более совершенные системы хранения электроэнергии — будь то батареи или топливные элементы — должны оставаться частью любой стратегии улучшения электромобилей, но есть много возможностей для улучшения и в другом фундаментальном компоненте транспортного средства: двигателе. Последние четыре года мы работали над новой концепцией тягового электродвигателя, используемого в электромобилях и грузовиках. Наша последняя разработка значительно повышает эффективность по сравнению с традиционными конструкциями — достаточно, чтобы сделать электромобили более практичными и доступными.
В прошлом году мы протестировали наш прототип двигателя в ходе обширных испытаний на лабораторном стенде, и хотя пройдет некоторое время, прежде чем мы сможем поместить машину в автомобиль, у нас есть все основания ожидать, что он будет работать так же хорошо в этих условиях. Таким образом, наш двигатель может расширить диапазон сегодняшних электромобилей, даже если в технологии аккумуляторов не будет дальнейшего прогресса.
Чтобы понять суть проблемы, необходимо сделать краткий обзор основ конструкции электродвигателя . По сравнению с двигателями внутреннего сгорания электродвигатели просты и состоят всего из нескольких важных компонентов.По механическим причинам требуется корпус; его называют статором, потому что он остается на месте. Ротор необходим для вращения вала и создания крутящего момента. Чтобы двигатель работал, статор и ротор должны магнитно взаимодействовать, чтобы преобразовать электрическую энергию в механическую.
В этом магнитном интерфейсе концепции электродвигателей различаются. В щеточных двигателях постоянного тока постоянный ток протекает через щетки, которые скользят по коммутатору. Ток проходит через коммутатор и питает обмотки ротора.Эти обмотки отражаются постоянными магнитами или электромагнитами в статоре. Когда щетки скользят по коммутатору, он периодически меняет направление тока, так что магниты ротора и статора отталкиваются друг от друга снова и снова в такой последовательности, которая заставляет ротор вращаться. Другими словами, вращательное движение вызывается изменяющимся магнитным полем, создаваемым коммутатором, который подключает катушки к источнику питания и циклически меняет ток по мере вращения ротора. Однако этот метод ограничивает крутящий момент и подвержен износу; поэтому он больше не используется для тяговых приводов.
В современных электромобилях вместо этого используется переменный ток, питаемый от инвертора. Здесь динамическое вращающееся магнитное поле создается внутри статора, а не ротора. Эта характеристика облегчает конструктивные ограничения ротора, как правило, более сложного из двух, что, в свою очередь, облегчает общую конструкторскую проблему.
Есть два типа двигателей переменного тока: асинхронные и синхронные. Мы сосредоточимся на синхронных, потому что они обычно работают лучше и эффективнее.
Река протекает сквозь него: при улучшенном охлаждении вода пропускается непосредственно через змеевик (слева), а не через водяную рубашку на внешней стороне корпуса (справа). Изображение: Мартин Доппельбауэр и Патрик Винцер
Синхронные двигатели также бывают двух разновидностей. Наиболее распространенной является синхронная машина с постоянными магнитами (PMSM), в которой используются постоянные магниты, встроенные в ротор. Как отмечалось выше, чтобы заставить ротор вращаться, в статоре создается вращающееся магнитное поле.Это вращающееся поле создается обмотками статора, подключенными к источнику переменного тока. Во время работы полюса постоянных магнитов ротора заблокированы для вращающегося магнитного поля статора, которое заставляет ротор вращаться.
Эта конструкция, которая используется в Chevrolet Volt and Bolt, BMW i3, Nissan Leaf и многих других автомобилях, позволяет достичь максимальной эффективности до 97 процентов. Их постоянные магниты обычно сделаны из редкоземельных элементов; яркими примерами являются очень мощные неодимовые магниты, разработанные в 1982 году компаниями General Motors и Sumitomo.
Явнополюсные синхронные машины (SPSM) используют электромагниты внутри ротора, а не постоянные магниты. Полюса представляют собой катушки в форме труб, которые направлены наружу от ступицы ротора, как спицы в колесе. Эти электромагниты в роторе питаются от источника постоянного тока, который подключен к катушкам через контактные кольца. Контактные кольца — в отличие от коммутатора в машине постоянного тока — не реверсируют ток в катушках ротора. Таким образом, северный и южный полюса ротора статичны, и щетки изнашиваются не так быстро.И, как и в PMSM, движение ротора вызывается вращающимся магнитным полем статора.
Из-за необходимости запитывать электромагниты ротора через контактные кольца, эти двигатели обычно имеют немного более низкий пиковый КПД, в диапазоне от 94 до 96 процентов. Преимущество, которое они имеют перед PMSM, заключается в возможности регулировки поля ротора, что позволяет ротору эффективно развивать крутящий момент на более высоких скоростях по сравнению с PMSM. Таким образом, общие характеристики при использовании в качестве двигателя автомобиля могут быть выше.Единственный производитель, который использует этот тип двигателя в серийных автомобилях, — это Renault в своих моделях Zoe, Fluence и Kangoo.
ЭМдолжны изготавливаться из компонентов, которые не только высокоэффективны, но и легки. Наиболее очевидный подход к улучшению отношения мощности к массе двигателя — уменьшить размер машины. Однако такая машина будет производить меньший крутящий момент для данной скорости вращения. Следовательно, чтобы получить такую же мощность, вам нужно запустить двигатель с более высокими оборотами в минуту.Современные электромобили работают со скоростью около 12 000 об / мин; для следующего поколения готовятся двигатели до 20 000 об / мин; и машины, достигающие 30 000 об / мин, находятся под следствием. Проблема в том, что для более высоких скоростей требуются коробки передач все большей сложности, потому что обороты в минуту настолько велики по сравнению с тем, что необходимо для вращения шин. Эти сложные редукторы несут относительно высокие потери энергии.
A Perfect Storm: В дизайне авторов [вверху] сила Лоренца и сила смещенной индуктивности (серый цвет) суммируются с максимальной суммарной силой [синий], равной 2.В обычном двигателе [внизу] сложение двух сил — силы Лоренца и силы сопротивления (серый цвет) — дает общую силу (синий цвет), которая достигает максимума всего 1,76 при угле полярного колеса 0,94 рад. Разница в этом примере составляет 14 процентов.
Второй подход к улучшению отношения мощности к весу заключается в увеличении силы магнитного поля двигателя, которое увеличивает крутящий момент. В этом заключается смысл добавления железного сердечника к катушке, поскольку, хотя этот шаг увеличивает вес, он увеличивает плотность магнитного потока на два порядка.Поэтому сегодня почти все электрические машины используют железный сердечник в статоре и роторе.
Однако есть недостаток. Когда напряженность поля превышает определенный предел, железо теряет всю свою способность увеличивать поток. На этот предел насыщения может незначительно влиять процесс смешивания и производства железа, но наиболее экономичные материалы ограничены примерно 1,5 В / м 2 (Вольт, умноженное на секунду на квадратный метр, или тесла). Только очень дорогие и редкие кобальто-железные вакуумные стальные материалы могут достигать плотности магнитного потока 2 тесла и более.
Наконец, третий стандартный способ увеличения крутящего момента — усилить поле, пропустив через катушки больше тока. Опять же, есть ограничения. Пропустите через провод больше тока, и резистивные потери увеличатся, уменьшая эффективность и создавая тепло, которое может повредить двигатель. Вы можете использовать проволоку из металла, проводящего лучше, чем медь. Действительно, серебряная проволока доступна, но в этом случае она была бы абсурдно дорогой.
В результате единственный практический способ увеличить ток — это контролировать нагрев.Современные системы охлаждения направляют охлаждающую воду непосредственно вдоль обмоток, а не направляют водопровод дальше, на внешнюю сторону статора [см. Иллюстрацию «Через нее течет река»].
Все эти шаги помогают улучшить у отношение массы к мощности. В гоночных электромобилях, для которых стоимость не имеет значения, моторы могут весить всего 0,15 килограмма на киловатт выходной мощности, что сопоставимо с лучшими двигателями внутреннего сгорания Формулы-1.
Фактически, мы и наши студенты разработали и построили такие высокопроизводительные электродвигатели для автомобиля, участвовавшего в гонках Formula Student Racing Series три года назад.Мы построили двигатели в нашей лаборатории в Электротехническом институте Технологического института Карлсруэ в Германии. Каждый год команда строила новую машину с улучшенными моторами, коробками передач и силовой электроникой. На каждую машину приходится четыре двигателя, по одному на каждое колесо. Каждый из них имеет диаметр всего 8 сантиметров, длину 12 см и вес 4,1 кг, и каждый производит 30 кВт непрерывной мощности с максимальной мощностью 50 кВт. В 2016 году наша команда выиграла чемпионат мира.
Так что это действительно можно сделать, когда стоимость не имеет значения.Настоящий вопрос заключается в том, могут ли такие технологии повышения производительности использоваться в двигателях массового потребления, которые можно было бы использовать в автомобиле, который вы могли бы купить? Мы построили такой двигатель, поэтому ответ — да.
Мы начали с одной идеи. Электродвигатели работают одинаково хорошо, работают ли они как двигатели или как генераторы, хотя такая симметрия на самом деле не требуется для электромобилей. С автомобилем вам нужен электродвигатель, который лучше работает в режиме двигателя, чем в режиме генерации, который используется только для зарядки аккумуляторов во время рекуперативного торможения.
Чтобы понять идею, рассмотрим в деталях принцип работы двигателя PMSM. В таком двигателе на самом деле есть две силы, которые создают движение. Во-первых, это сила, вызванная постоянными магнитами в роторе. Когда токи проходят через медные катушки статора, они создают магнитное поле. Со временем ток передается от одной катушки к другой, вызывая вращение магнитного поля. Это вращающееся поле статора притягивает постоянные магниты ротора, так что ротор начинает двигаться.Этот принцип зависит от так называемой силы Лоренца, которая действует на заряженную частицу, движущуюся через магнитное поле.
Но современные электродвигатели также получают дополнительную мощность за счет сопротивления — силы, которая притягивает кусок железа к магниту. Таким образом, вращающееся поле статора притягивает как постоянные магниты, так и железо ротора. Сила Лоренца и сопротивление работают рука об руку, и — в зависимости от конструкции двигателя — они примерно одинаково сильны. Обе силы почти равны нулю, когда магнитное поле ротора и статора идеально выровнены.По мере увеличения угла между полями машина развивает механическую мощность.
В синхронной машине поле статора и ротор вращаются в тандеме, без задержки, характерной для асинхронных машин. Поле статора имеет определенный угол по отношению к ротору, угол, который можно свободно изменять от момента к моменту во время работы для достижения максимальной эффективности. Оптимальный угол для создания крутящего момента при заданном токе можно рассчитать заранее. Затем он регулируется — по мере изменения тока — системой силовой электроники, которая подает переменный ток на обмотки статора.
Но вот в чем проблема: когда вы перемещаете поле статора относительно положения ротора, сила Лоренца и сила сопротивления каждый раз увеличиваются и уменьшаются. Сила Лоренца увеличивается в соответствии с синусоидальной функцией, которая достигает своего пика в точке, расположенной под углом 90 градусов от исходной позиции (которая является точкой, в которой выравниваются поля статора и ротора). Однако сила сопротивления повторяется с удвоенной частотой и, следовательно, достигает пика при смещении на 45 градусов [см. Графики «Идеальный шторм»].
Поскольку две силы достигают своих пиков в разных точках, максимальная общая сила двигателя меньше суммы его частей. Скажем, в конкретной конструкции машины, в определенный момент работы двигателя, 54 градуса оказывается оптимальным углом для максимальной общей силы. В этом случае этот пик будет на 14 процентов меньше, чем пики двух сил вместе взятых. Это лучший компромисс, который может предоставить этот дизайн.
Иллюстрация: Джеймс Прово Половина двигателя: На этом поперечном сечении по длине авторской конструкции двигателя показаны все ключевые компоненты.Обратите внимание на постоянные магниты и обмотку электромагнитов, которые вместе формируют поле в роторе так, чтобы оптимально согласовать две силы — силу Лоренца и силу сопротивления.
Если бы мы могли модернизировать этот двигатель так, чтобы две силы достигли пика в одной и той же точке цикла, мощность двигателя увеличилась бы на 14 процентов — без дополнительных затрат. Единственное, что вы потеряете, — это эффективность машины, когда она работает как генератор. И, как мы объясним позже, мы нашли способ восстановить даже эту функцию, чтобы машина могла лучше восстанавливать энергию во время торможения.
Спроектировать двигатель , который идеально выравнивает поле статора с полем ротора, — непростая задача. Проблема, по сути, сводится к объединению PMSM и SPSM в новый гибридный дизайн. В результате получается гибридная синхронная машина со смещенной осью сопротивления. Короче говоря, эта машина использует как провода, так и постоянные магниты для создания магнитного поля внутри ротора.
Другие пытались (а затем отказались) от этой идеи, но они хотели использовать постоянные магниты только для усиления электромагнитного поля.Нашим нововведением было использование магнитов только для точного формирования поля, чтобы оптимально согласовать две силы — силу Лоренца и силу сопротивления.
Наша основная проблема при проектировании заключалась в том, чтобы найти конструкцию ротора, способную формировать поле, но при этом достаточно прочную, чтобы работать на высоких скоростях без разрушения. Самая внутренняя часть нашей конструкции — это пластина ротора, которая несет медную обмотку на железном сердечнике. К плечам полюсов этого сердечника приклеиваем постоянные магниты; дополнительные наконечники на стойках не дают им улететь.Чтобы удерживать все на месте, мы протолкнули прочные, но легкие титановые стержни через электромагнитные полюса ротора с помощью гаек, чтобы закрепить стержни на кольцах из нержавеющей стали на обеих сторонах ротора.
Мы также нашли способ обойти недостаток нашего оригинального двигателя, заключающийся в уменьшении крутящего момента при работе в качестве генератора. Теперь мы можем изменить направление поля в роторе, чтобы генерация, необходимая для рекуперативного торможения, была такой же мощной и эффективной, как и работа двигателя.
A Class Project: в этом гоночном автомобиле Formula Student использовались специальные технологии охлаждения двигателя. Фото: KA-Raceing
Мы достигли этого, изменив направление тока в обмотке ротора, когда машина работает как генератор. Вот почему это работает. Сначала рассмотрим ротор нашей оригинальной конструкции. При движении по периметру ротора обнаруживается определенная последовательность северного (N) и южного (S) полюсов электромагнитного (E) и постоянного магнитного (P) источников: NE, NP, SE, SP. Этот узор повторяется столько раз, сколько пар полюсов. Изменяя направление тока в обмотке ротора, электромагнитные полюса — и только они — изменяют направление, и теперь порядок полюсов становится SE, NP, NE, SP и так далее.
Если вы внимательно посмотрите на эти две прогрессии, вы увидите, что вторая прогрессия похожа на первую, только в обратном направлении. Это означает, что ротор может использоваться либо в режиме двигателя (первая последовательность), либо в режиме генератора (вторая последовательность), при этом ток ротора течет в направлении, противоположном первому. Таким образом, наша машина работает более эффективно, чем обычные двигатели, как в качестве двигателя, так и в качестве генератора. В нашем прототипе изменение тока занимает менее 70 миллисекунд, что достаточно быстро для использования в автомобилях.
В прошлом году мы построили на верстаке опытный образец двигателя и подвергли его тщательным испытаниям. Результаты очевидны: используя ту же силовую электронику, параметры статора и другие конструктивные ограничения, что и у обычного двигателя, машина способна производить почти на 6 процентов больше крутящего момента и достигать на 2 процента более высокой пиковой эффективности. А в ездовом цикле улучшение даже лучше: для этого требуется на 4,4 процента меньше энергии. Это означает, что автомобиль, который проехал бы 100 километров на одной зарядке, может с этим мотором проехать 104.4 км. Дополнительный диапазон обходится дешево, потому что наша конструкция включает в себя всего несколько дополнительных деталей, которые намного дешевле, чем установка дополнительных батарей.
Мы контактируем с несколькими производителями оригинального оборудования, которые находят эту концепцию интересной, однако пройдет некоторое время, прежде чем вы увидите один из этих асимметричных двигателей в серийном автомобиле. Однако когда он все же появится, он должен в конечном итоге стать новым стандартом, потому что получение всего, что вы можете, из имеющейся у вас энергии, является главным приоритетом для автопроизводителей — и для общества в целом.
Эта статья опубликована в июльском выпуске журнала за 2017 год как «Мотор для электрокара будущего».
Об авторе
Мартин Доппельбауэр возглавляет кафедру гибридных электромобилей в Институте электротехники Технологического института Карлсруэ в Германии. Патрик Винзер — научный сотрудник и доктор философии. кандидат там.
Плюсы и минусы электромобилей
Плюсы и минусы электромобилей
Сколько стоит купить электромобиль?
Электромобили обычно дороже покупать, чем их эквиваленты, работающие на газе.Цены варьируются от 30 000 до 40 000 долларов, но некоторые провинции предлагают льготы и скидки, которые могут сделать их более доступными. Например, Квебек предлагает скидки до 8000 долларов, а Британская Колумбия предлагает скидки до 5000 долларов.
Насколько экологически безопасны электромобили?
Многие люди выбирают электромобили, чтобы защитить окружающую среду. Полностью электрические автомобили имеют нулевые выбросы из выхлопной трубы, но они не на 100% свободны от выбросов. Большинство аккумуляторов электромобилей имеют литиевую основу и требуют больше энергии для производства, чем автомобили, работающие на газе.Однако исследования показывают, что электромобили и подключаемые к электросети гибриды производят меньше вредных выбросов в течение своего срока службы, чем автомобили, работающие на газе.
Насколько экономично владеть электромобилем?
Электромобили стоят дороже, но они более доступны в эксплуатации, чем автомобили, работающие на газе. Во-первых, стоимость топлива ниже. В среднем, зарядка электромобиля стоит от 300 до 400 долларов в год, в зависимости от того, когда и где вы его заряжаете. Типичный подключаемый гибрид стоит около 700 долларов в год.Для сравнения: заправка бензинового автомобиля может стоить от 1000 до 2500 долларов в год. Электромобили также намного дешевле в обслуживании и обслуживании, потому что у них меньше движущихся частей и не требуется замена масла. Вы даже можете сэкономить на страховании автомобиля.
В чем разница между электромобилем, гибридом и подключаемым гибридом?
В отличие от электромобилей, у которых есть электродвигатели и аккумуляторные батареи, гибриды работают на сочетании бензина и электричества. Когда двигатель внутреннего сгорания работает, он заряжает аккумулятор электродвигателя.Подключаемые гибриды можно заряжать так же, как электромобили, но у них также есть резервные бензиновые двигатели, что устраняет беспокойство о запасе хода, которое вы испытываете с полностью электрическими автомобилями.
Смогут ли электромобили справиться с канадскими зимами?
В зимнюю погоду аккумуляторы электромобилей могут потерять более половины запаса хода. Вы можете частично компенсировать это, прогревая автомобиль, пока он все еще подключен, используя настройки экономичного режима и придерживаясь ограничения скорости. Канадцы, которые проезжают от 20 до 100 км в день и имеют доступ к зарядной станции, могут обнаружить, что электромобиль — правильный выбор, даже зимой.Другое решение — купить электромобиль с аккумулятором с увеличенным запасом хода, но, конечно, он стоит дороже.
Как далеко я могу проехать на электромобиле до того, как ему понадобится подзарядка?
В зависимости от дорожных условий и стиля вождения средний пробег составляет от 140 до 450 км без подзарядки. Это нормально для большинства людей, которые проезжают менее 80 км в день. Но электромобиль может быть не лучшим выбором для длительных поездок, потому что бывает трудно найти зарядные станции. Кроме того, существуют зарядные станции с 3-мя стандартными уровнями зарядки.Таким образом, в зависимости от типа зарядной станции, которую вы найдете, зарядка вашего автомобиля может занять от 10 минут… до 8 часов!
Хорошие новости? Повсюду появляются зарядные станции. В Канаде растет сеть из более чем 5000 общественных зарядных станций. Некоторые провинции предлагают скидки и субсидии при установке зарядной станции дома, а в новых зданиях кондоминиумов на стоянках часто есть зоны для зарядки.
Экологичное решение
Несмотря на свои недостатки, электромобили могут быть экономичным, экологически чистым средством передвижения и все более жизнеспособным решением наших проблем глобального загрязнения.Некоторые страны и автопроизводители уже обещают в ближайшем будущем прекратить продажу бензиновых и дизельных автомобилей. Вам решать, перевешивают ли плюсы минусы.
Для получения дополнительной информации по этой теме посетите:
Чистый транспорт
Зачем покупать электромобиль?
Электромобили становятся все популярнее во всем мире, поскольку люди все больше обеспокоены изменением климата.Если вы думаете о том, чтобы перейти на экологически чистый автомобиль, читайте дальше. Мы отвечаем на некоторые из самых распространенных вопросов о покупке и владении электромобилем.
Двигатель переменного / постоянного тока— Руководство по преобразованию электромобилей
Я бы сказал, что переменный и постоянный ток — это скорее споры, которые велись в прошлые дни. Раньше постоянный ток был дешевым и распространенным решением, а переменный ток был превосходным и дорогостоящим вариантом, но с потоком OEM-приводов переменного тока на рынке сейчас это приводит к появлению огромного количества удивительных двигателей переменного тока по довольно хорошей цене. пространство DIY, если вы хотите иметь дело с управлением CAN.
Двигатели постоянного токадействительно хороши в создании потрясающего крутящего момента на низких оборотах при более низких напряжениях и … ну … на этом преимущества заканчиваются. Недостатками являются то, что они требуют экспоненциально большего обслуживания, их чрезвычайно сложно поддерживать в прохладе при поездках по шоссе, рекуперативное торможение невозможно, и они на солидную ступень ниже приводов переменного тока по общей эффективности. Раньше двигатели постоянного тока были идеальным выбором для всех, кто хотел преобразовать электромобиль, но я настоятельно призываю всех держаться подальше от преобразования постоянного тока, если они не строят этот автомобиль исключительно для гонок на 1/8 или 1/4 мили.
Сложность электрического управления:
Основное преимущество приводных механизмов постоянного тока, используемых для уменьшения сложности электрической настройки. Все, что вам нужно было сделать, это подключить несколько проводов на 12 В и потенциометр для педали газа, и все было в порядке, тогда как у AC действительно не было таких готовых комплектов, как этот.
Но времена изменились. Лучшая компания, производящая контроллеры двигателей постоянного тока (Evnetics), полностью отказалась от рынка электромобилей, и блестящие ребята из EVTV вышли на рынок с избытком OEM-приводов переменного тока с прекрасно спроектированным оборудованием CAN.Они упростили превосходные OEM-приводы переменного тока до уровня, на котором даже начинающий любитель должен иметь возможность работать без излишних исследований, дополнительных знаний и устранения неполадок.
Сложность адаптера трансмиссии:
Легкость физической интеграции в автомобиль — это одна из областей, в которой двигатели постоянного тока все еще имеют первенство. Это не говорит о том, что конечный результат постоянного тока превосходит переменный, скорее, с постоянным током гораздо проще получить конечный результат. Поскольку электродвигатели постоянного тока использовались в преобразованиях электромобилей в течение десятилетий, существует большое хранилище переходных пластин и соединителей валов для множества транспортных средств, для сборки которых не требуется ничего, кроме ручных инструментов.
Двигатели переменного тока, с другой стороны, были разработаны для конкретного транспортного средства OEM и в значительной степени не предназначены для общего применения. Короткий ответ здесь заключается в том, что адаптация двигателя переменного тока к вашему конкретному автомобилю-переоборудованию потребует индивидуального проектирования САПР и обработки с ЧПУ. Независимо от того, находится ли это в пределах вашего личного уровня навыков или вам нужно обратиться за поддержкой по этому поводу, это, к сожалению, нетривиальная задача.