Двигатель электрический для электромобиля, прошлое, настоящее и будущее
Где применяется электрический автомобильный двигатель
Содержание статьи
- 1 Где применяется электрический автомобильный двигатель
- 2 История создания
- 3 Принцип работы электромобиля
- 4 Устройство тягового электродвигателя автомобиля
- 5 Характеристики электродвигателей автомобильных
- 6 Перспективы развития
Электродвигатель для автомобиля, в качестве тягового устройства применялся на автомобилях (вернее на их прототипах), еще раньше, чем двигатель внутреннего сгорания. Однако на сегодняшний день автомобильные электрические машины (именно так они правильно называются), применяются на электромобилях, работающих исключительно на аккумуляторах или других накопителях электрической энергии, а также на гибридных автомобилях.
Гибридные автомобили называются так, потому, что в них есть и двигатель внутреннего сгорания (ДВС), и аккумуляторная батарея.
История создания
Первая, можно сказать лабораторная, модель-прототип электромобиля была создана почти 200 лет назад. Известно, что в 1828 году венгерский изобретатель Джедлик продемонстрировал тележку, которая двигалась за счет электрической энергии. Но этот образец только показал принцип электрической тяги. Ведь настоящий электродвигатель постоянного тока, способный работать достаточно долго, был изобретен в 1833 году физиком из Великобритании Уильямом Стёрдженом. В 1835 году в Голландии Кристофер Беккер и Стратин Гронинген построили первый электромобиль. Конечно, он был несовершенен и в серийное производство не пошел.
Первый патент на электрический двигатель был получен в 1837 году Томасом Дэвенпортом, именно с этого времени можно сказать, что началось строительство электромобилей. Проблема электромобилей того времени была в очень небольшом заряде тогдашних аккумуляторов. Эту проблему пытались решить американец Томас Давенпорт и голландец Роберт Андерсон, которые создали автомобиль, двигающийся за счет электричества от одноразовых гальванических элементов в 1842 году.
Больших успехов в использовании электрической энергии для тяги достигли в 19-том веке железнодорожники. Уже в 1847 году в Питсбурге (США) работал локомотив (можно назвать его первым электровозом), который получал электричество по рельсам. Аккумуляторы были очень ненадежные и с очень небольшим ресурсом, да и энергии они запасали мало. И только улучшение рабочих характеристик аккумуляторных батарей решило проблему использования электромобилей. Нужно отметить, что первый рекорд скорости превышающей 100 км/час был зафиксирован именно электромобилем.
Так в 1899 году бельгиец Камиль Женатци на электромобиле «La Jamais Contente» разогнался до 105,882 км/ч. Как видно на рисунке (слева) этот электромобиль на резиновом ходу (на пневматических шинах), это тоже было новшеством на тот момент.
Немногим раньше в Лондоне было запущено движение электрических омнибусов (тогдашних автобусов) благодаря Ральфу Уорду. В это же время в Нью-Йорке начали работать такси на электротяге, стали выпускаться электровелосипеды и многие другие подвижные единицы на электричестве.
В России они (электромобили, точнее омнибусы) появились в 1901 году (фото справа) разработки инженера Романова. Уже в 1902 году заводом «Дукс» в Москве выпускался электромобиль для частного использования (фото слева).
Напомним, что только в 1878 году Николаусом Отто был запущен в серию четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, который можно было устанавливать на автомобиль. Он с некоторыми доработками служит «верой и правдой» автомобилистам и по сей день.
Да, двигатель Отто и резкое падение цен на нефть, из которой получают бензин, вытеснило электромобили почти на 100 лет с рынка, но они вновь завоевывают себе «место под солнцем», тесня классические ДВС. Все это благодаря тому, что электромобили практически бесшумны, экологически безвредны и экономически выгодны в эксплуатации. Нужно напомнить, что КПД электродвигателя высокий и составляет (85…95 %), да и электричество дешевеет. Если его (электричество) получать при помощи солнечных батарей или ветрогенераторов, то эксплуатация электромобиля получается почти бесплатной.
На сегодняшний день доля электромобилей среди всего автопарка составляет около 1%, но это пока. За последние 2 года количество продаж электрокаров увеличилось на 45%. Осталось только подождать, когда бензиновые и дизельные автомобили потихоньку сойдут с рынка.
Принцип работы электромобиля
Классическая схема электромобиля представлена на рисунке справа. Аккумуляторы расположенные здесь вдоль кузова отдают свою энергию через устройство управления (УУ) электродвигателю (ЭД), а он вращает колеса. Но эта компоновка далека от совершенства. Дело в том, что электропривод имеет очень важное преимущество перед любыми другими типами приводов – рекуперация. Рекуперация, это преобразование энергии движения в электрическую. Все мы с вами знаем, что энергия никуда не исчезает, она может только преобразовываться из одного вида в другой. Так вот, энергия движения (кинетическая энергия) при торможении автомобиля преобразуется в тепловую. Мы с вами просто нагреваем тормозные колодки, и это тепло отдаем атмосфере.
То есть, по сути дела выбрасываем эту энергию. В электромобилях и в гибридах мы можем большую часть кинетики преобразовать в электричество и опять накопить его в аккумуляторе.
Гибридные автомобили всегда имеют кроме аккумулятора и двигатель внутреннего сгорания. Зачем? Для того чтобы удлинить расстояние езды на электромобиле. Дело в том, что даже современные аккумуляторы могут накопить энергии на 100, ну максимум на 200 километров пробега. Согласитесь, что это совсем немного. При использовании ДВС, в качестве дополнительного источника энергии можно удлинить путь до 800, а иногда и до 1000 километров без подзарядки аккумулятора и без дозаправки бензином или дизельным топливом.
Как правило, на авто такого типа (гибридных автомобилях) нет прямого воздействия двигателя на ведущие колеса. ДВС вращает генератор, который вырабатывает электрическую энергию, и уже эта энергия подается на электродвигатели либо на накопители энергии, если автомобиль едет по инерции или стоит (на светофоре, например).
Накопителями энергии могут быть не только аккумуляторы, в последнее время все большей популярностью пользуются суперконденсаторы.
Двигатель на гибридных автомобилях может быть подключен к генератору, который вырабатывает электричество. Электричество это можно использовать для разгона (его обычно не хватает, аккумулятор плохо отдает электроэнергию на старте), или для зарядки аккумулятора, если авто на выбеге или стоянке. Крайне редко ДВС не подключен к генератору. При такой схеме ДВС помогает электродвигателю разгонять автомобиль.Где же экономия? Все дело в том, что при любой схеме подключения ДВС и электродвигателя, двигатель внутреннего сгорания всегда работает в номинальном режиме. В котором достигается максимальная экономия. КПД у ДВС всегда указывается для номинального режима и он колеблется от 36 до 42. Для малых оборотов этот КПД не превышает 7…10%.
Существует и более сложные системы. Вот, например, как взаимодействуют детали в современном гибридном автомобиле «Тойота Приус».
Здесь ДВС может работать на генератор, а может и помогать вращать ведущие колеса через планетарный механизм. При торможении, мотор/генератор (MG2) преобразует кинетическую энергию в электрическую, заряжая аккумулятор. В результате чего достигается неплохая экономия. Да это сложно, но это того стоит. Расход у Тойоты-Приус около 3-х литров бензина на 100 километров.
Устройство тягового электродвигателя автомобиля
Устройство электродвигателя автомобиля зависит, от многих факторов. Электродвигатели для электромобилей могут быть как постоянного, так и переменного тока. В последнее время на машину такого типа ставят только двигатель переменного тока (синхронный или асинхронный). Первые электромоторы для автомобилей были, конечно, постоянного тока. Это и логично, потому как аккумулятор выдает постоянный ток, и двигатель электрический также постоянного тока. Их применяют и сейчас, но уже гораздо реже. Однако, все не так просто, как кажется на первый взгляд. Электродвигатели переменного тока гораздо экономичнее и надежнее.
Выглядеть они могут точно так же как и электродвигатели постоянного тока. Разные типы электродвигателей имеют различную маркировку. AC – говорит о том, что этот двигатель переменного тока, DC – постоянного.
Принцип работы любого электродвигателя состоит во взаимодействии магнитных полей. Еще Фарадей на заре электричества заметил, что если проводник, по которому течет ток, поместить в постоянное магнитное поле, то этот проводник стремится вырваться из этого поля отклоняясь в ту или иную сторону в зависимости от направления движения тока. Если этих проводников много, и магнитное поле сильное, то и работа такого двигателя постоянного тока будет соответствующей.
В каждом электродвигателе есть ротор (его иногда называют якорь) и статор (его еще называют индуктором). Ротором является вращающееся часть, статором – не вращающееся (стационарная). И ротор и статор имеют обмотки состоящие из отдельных проводников. Для подачи электрического тока на вращающуюся часть двигателя существует коллектор (набор медных пластин собранных в цилиндр).
От статора на коллектор ток передается при помощи специальных щеток. Взаимодействие магнитных полей заставляет ротор совершать вращение.
Электродвигатели переменного тока работают несколько по-другому. Статор создает магнитное поле, которое само вращается. Оно (поле) может увлекать за собой стальные предметы, то есть заставлять вращаться ротор. По этой причине на роторе обмотка не нужна. Но в этом случае скорость вращения ротора будет отставать от скорости вращения магнитного поля статора. Такие электродвигатели нарываются асинхронными.
Для того, чтобы точно знать с какой частотой вращается ротор и регулировать эту частоту, необходимо на роторе разместить электрическую обмотку. Такие электродвигатели называются синхронными. Но вновь появляется слабое звено электродвигателя – коллектор. Щетки изнашиваются и их нужно менять. Асинхронные двигатели в обслуживании не нуждаются.
На рисунке представлено два вида синхронных двигателей (с явными и неявными полюсами). Повторимся, что асинхронный двигатель отличается лишь тем, что на якоре нет обмотки.
При работе каждый электродвигатель нагревается. По этой причине тема охлаждения электрических машин очень важна. Система охлаждения может быть автономная и принудительная. На электродвигателях большегрузных автомобилей, например БелАЗ, охлаждение принудительное (воздух для охлаждения подается специальным вентилятором). У машин малого класса и легковых, на самом двигателе есть крыльчатка, которая продувает воздух через двигатель, тем самым охлаждая его.
Характеристики электродвигателей автомобильных
Характеристика электродвигателя, это соотношение его параметров к его цене. Лучше всего это представить в табличной форме. В таблице представлены популярные электродвигатели как постоянного DC, так и переменного AC тока. Напряжение у некоторых двигателей имеет несколько значений, это значит, что они способны работать на всех указанных напряжениях. Мощность N указана номинальная. Вращающий момент M, тоже при номинальном режиме работы. Частота вращения указана как максимально допустимая.
Характеристики электрического двигателя автомобиля невозможно сравнивать спонтанно. Для каждого конкретного случая, для определенного автомобиля, может быть разработан свой, оригинальный электродвигатель. Но электродвигатель переменного тока, а он здесь представлен один, явно отличается в лучшую сторону, от электродвигателей постоянного тока той же мощности, хотя бы по соотношению цены и вырабатываемой мощности (AC – 10.7 $/кВт, DC – 450 $/кВт).
Перспективы развития
Внедрение синхронных и асинхронных двигателей на автомобилях тормозилось медленным развитием электроники способной контролировать процессы в этих самых двигателя. Теперь эти барьеры снимаются, электроника становится надежной и относительно дешевой. По этой причине в скором времени электродвигатели переменного тока на электромобилях скорее всего будут внедряться практически повсеместно.
Изобретение новых конструкционных материалов позволяет повышать надежность и долговечность электродвигателей.
Что касается электромобилей в целом, то за ними большое будущее.
Почему двигатель внутреннего сгорания лучше электродвигателя / Автомобили и другие средства передвижения и аксессуары / iXBT Live
Для работы проектов iXBT.com нужны файлы cookie и сервисы аналитики. Продолжая посещать сайты проектов вы соглашаетесь с нашей Политикой в отношении файлов cookie
Во многих развитых странах планируют в ближайшем будущем отказаться от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Например, в странах ЕС в 2035 году в силу вступит закон, запрещающий продажу новых автомобилей на горючем. В Англии аналогичных закон будет будет принят в 2040 году. ДВС постепенно уходит в прошлое, однако не из-за того, что он устарел, или нашлась достойная альтернатива, а из-за законов, ограничивающих продажи.
Главный конкурент автомобилю с двигателем внутреннего сгорания — электромобиль. Но есть ли на данный момент, то, в чем он лучше?
Большинство электрокаров на одном заряде может проехать около 400 км.
Запас хода у автомобилей с бензиновым двигателем зачастую около 800 км. Например Lada Vesta, объем топливного бака которой равен 55 литрам, может проехать без дозаправки примерно 797 км.
С дизельными двигателями дела обстоят еще лучше. У многих представителей этого класса запас хода превышает 1100 км. Например, Peugeot 408 на полном баке, объем которого составляет 60 л, может преодолеть дистанцию в 1224 км.
Инфраструктура городов долгое время создавалась под двигатели внутреннего сгорания, и хоть изменения происходят достаточно быстро, зарядные станции значительно меньше распространены, чем заправки. И это понятно, ведь доля электромобилей в мире около 1%.
Стоит отметить, что изменения инфраструктуры зачастую происходят при поддержке государства, к примеру, Китай выделяет субсидии на производство электрокаров, и за счет бюджета устанавливает зарядные станции.
Исследование американского журнала Consumer Reports 2020 года показало, что водители электрокаров ежегодно тратят на 60% меньше денег на зарядку относительно затрат на топливо, у водителей автомобилей с бензиновым двигателем.
Можно предположить что, если весь мир перейдет на электромобили, то цена на электричество подскочит, и эта разница уже станет не насколько большой. Однако это лишь догадка, а то, что на данный момент зарядить авто значительно дешевле, чем заправить — факт.
Но не стоит забывать, что залить полный бак топлива займет не больше 5 минут, а вот полная зарядка электрокара может занять и больше часа. Конечно, появляются системы, которые позволят заряжать автомобиль значительно быстрее. И, например, Hyundai Ioniq 5, поддерживающий новый тип зарядки, может получить 80% заряда батареи всего за 18-20 минут.
Все мы знаем, что ДВС загрязняют окружающую среду. Однако электромобили тоже не являются полностью экологичными.
Больше 1/3 всего электричества человечество получает при помощи сжигания угля, а это очень «грязный» источник энергии. И миру придется решить, что делать с миллионами вышедших из эксплуатации автомобильных аккумуляторов. На данный момент перерабатывается всего около 5% литий-ионных аккумуляторов.
Разбор батареи на части не простая задачаВ среднем электромобили экологичнее, чем автомобили с ДВС. Однако есть большое количество регионов, где электричество в большей степени вырабатывается сжиганием угля, в них электрокары наносят даже больший ущерб природе, чем конкурент.
Власти Сингапура посчитали, что Tesla Model S для преодоления 1 км требует 444 Вт·ч энергии. В этой стране при выработке 1 Вт·ч энергии выбросы CO₂ составляют 0,5 г. Используя эти данные, несложно подсчитать, что Model S опосредованно выпускает в природу 222 г CO₂/км.
Даже у спорткаров использующих бензин этот показатель зачастую меньше. Например Porsche 911 Speedster с двигателем на 510 л.с. выбрасывает в воздух 197 г CO₂/км.
На данный момент двигатель внутреннего сгорания во многом превосходит электродвигатель, но вероятно, что уже скоро он потеряет свое лидерство. ДВС уже достиг пика своего развития, а даже если и нет, никто не будет пытаться улучшать его дальше, ведь большое количество стран в ближайшем будущем запретят продажу этого типа двигателей на своей территории.
А электромобили имеют куда больший потенциал, и быстро развиваются. Например, первые модели Tesla Roadster, выпущенные в 2006 году, имели запас хода всего 372 км, а на зарядку такого авто требовалось больше 2-х часов. У современных моделей эти показатели в несколько раз лучше, и «потолок» все еще не достигнут. Проблема с инфраструктурой тоже решается, а растущий процент электромобилей на дорогах ускоряет этот процесс.
Экологический вопрос с каждым годом становиться все острее.
Уже сейчас электрокары в среднем меньше загрязняют окружающую среду, а с ростом процента «зелёной» энергетики, отрыв будет увеличиваться.
Большой потенциал электромобилей дает понять, что в какой-то момент они станут лучше, чем автомобили с ДВС, но когда это случится неизвестно.
Новости
Публикации
Клещи являются опасными паразитами, которые могут причинить серьезный вред здоровью домашних питомцев. Они могут переносить различные инфекции, такие как бабезиоз, лайм-боррелиоз и другие…
Если вы часто пользуетесь смартфоном во время езды, то покупка держателя для него будет выгодной, как бы это не звучало по «рекламски». Это поможет вам обеспечить хоть какую-то безопасность на…
В этом обзоре я хочу рассказать про недорогую игровую мышку, но с большими возможностями. Фирменное ПО для тонкой настройки, 11 перепрограммируемых кнопок и 16 миллионов цветов подсветки. Большим…
Искал пылесос мощный для жены и себя, чтоб иногда очищать в автомобиле пол.
Чтобы он был удобный и беспроводной, с бюджетом 100$. Мой выбор стал PRETTYCARE W200. Теперь хочу познакомить вас с…
Хочу признаться: мне всегда очень нравились Bluetooth полноразмеры. В таких моделях всегда прельщало сочетание максимального комфорта и большого аудио потенциала, эдакое лучшее из двух миров. Но…
Весна – время, когда пора заняться спортом, чтобы к лету быть потянутым и красивым. Во время тренировок самое время послушать любимую музыку. Приятная музыка настраивает на рабочий процесс и…
EV Motors: объяснение
Из апрельского выпуска журнала Car and Driver за 2022 год.
Любители автомобилей так долго знали язык двигателей внутреннего сгорания, что неумолимый переход на электрификацию требует настройки нашей базы знаний. Многие из нас знакомы с ритмом всасывания-сжимания-выдоха четырехтактного двигателя, который приводит в действие большинство сегодняшних водителей, в то время как среди нас есть любители снегоходов и подвесных моторов, которые, вероятно, могут объяснить внутреннюю работу двухтактного двигателя.
Некоторые ботаники могут даже иметь представление о эпитрохоидальных махинациях роторного двигателя Ванкеля, но опыт обычного редуктора с электродвигателями может начаться и закончиться с последним отказом стартера.
Все типы двигателей электромобилей состоят из двух основных частей. Статор — это стационарная внешняя оболочка двигателя, корпус которой крепится к шасси наподобие блока цилиндров. Ротор представляет собой единственный вращающийся элемент и аналогичен коленчатому валу в том, что он передает крутящий момент через трансмиссию на дифференциал.
В большинстве электромобилей используется блок с прямым приводом (с одним передаточным числом), который снижает скорость вращения между двигателем и колесами. Как и двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели наиболее эффективны при низких оборотах и более высоких нагрузках. В то время как электромобиль может иметь приемлемый запас хода на одной передаче, более тяжелые пикапы и внедорожники, предназначенные для буксировки прицепов, увеличат запас хода благодаря многоступенчатой трансмиссии на скорости шоссе.
Сегодня только Audi e-tron GT и Porsche Taycan используют двухступенчатую коробку передач. Многоступенчатые потери и затраты на разработку являются причинами редкости электромобилей с более чем одной передачей, но мы прогнозируем, что это изменится.
Унификация электродвигателей EV
Все три основных типа электродвигателей используют трехфазный переменный ток для создания вращающегося магнитного поля (RMF), частота и мощность которого контролируются силовой электроникой, реагирующей на нажатие педали акселератора. Статоры содержат многочисленные параллельные пазы, заполненные соединенными между собой петлями медных обмоток. Это могут быть громоздкие пучки круглой медной проволоки или аккуратные шпилькообразные медные вставки квадратного сечения, увеличивающие как плотность заполнения, так и прямой контакт между проводами внутри канавок. Более плотные витки улучшают способность к крутящему моменту, а более аккуратное переплетение на концах приводит к меньшему объему и меньшему общему корпусу.
Аккумуляторы — это устройства постоянного тока, поэтому силовая электроника электромобиля включает инвертор постоянного тока в переменный, который обеспечивает статор переменным током, необходимым для создания важнейшей переменной RMF. Но стоит отметить, что эти электродвигатели также являются генераторами, а это означает, что колеса будут вращать ротор в статоре в обратном направлении, чтобы индуцировать RMF в другом направлении, которое возвращает мощность обратно через преобразователь переменного тока в постоянный, чтобы отправить мощность в батарея. Этот процесс, известный как рекуперативное торможение, создает сопротивление, замедляющее автомобиль. Регенерация не только играет центральную роль в расширении запаса хода электромобиля, это в значительной степени целый шарик воска, когда речь идет о высокоэффективных гибридах, потому что большое количество регенерации улучшает показатели экономии топлива EPA. Но в реальном мире рекуперация менее эффективна, чем выбег, что позволяет избежать потерь каждый раз, когда энергия проходит через двигатель и преобразователь при сборе кинетической энергии.
Три типа электродвигателей
Типы двигателей можно разделить по фундаментальным различиям роторов, которые представляют собой совершенно разные способы преобразования RMF статора в фактическое вращательное движение. Эти различия на самом деле достаточно разительны, чтобы отдать должное нашей первоначальной аналогии с четырьмя циклами, двумя циклами и Ванкеля. В асинхронной категории у нас есть асинхронные двигатели, в то время как синхронная группа включает двигатели с постоянными магнитами и двигатели с токовым возбуждением.
Асинхронные двигатели существуют с 19 века. Здесь ротор содержит продольные пластины или стержни из проводящего материала, чаще всего из меди, но иногда из алюминия. RMF статора индуцирует ток в этих пластинах, который, в свою очередь, создает электромагнитное поле (ЭДС), которое начинает вращаться внутри RMF статора. Асинхронные двигатели известны как асинхронные двигатели, потому что ЭДС индукции и связанный с ней вращающий момент могут существовать только тогда, когда скорость ротора отстает от RMF.
Такие двигатели распространены, потому что им не нужны редкоземельные магниты и они относительно дешевы в производстве, но их сложнее охлаждать при длительных высоких нагрузках и они по своей природе менее эффективны на низких скоростях.
Как следует из названия, роторы двигателей с постоянными магнитами обладают собственным магнетизмом. Для создания магнитного поля ротора не требуется энергии, что делает их гораздо более эффективными на низкой скорости. Такие роторы также вращаются синхронно с RMF статора, что делает их синхронными. А вот с простой обмоткой ротора магнитами поверхностного монтажа возникают проблемы. Например, для этого требуются более крупные магниты, а удерживать ротор на высокой скорости становится все труднее по мере того, как все становится тяжелее. Но более серьезной проблемой является так называемая «обратная ЭДС» на высоких скоростях, при которой обратное электромагнитное магнитное поле добавляет сопротивление, которое ограничивает максимальную мощность и создает избыточное тепло, которое может повредить магниты.
Чтобы избежать этого, большинство электродвигателей с постоянными магнитами оснащены внутренними постоянными магнитами (IPM), которые попарно вставляются в продольные V-образные пазы, расположенные в виде нескольких лепестков прямо под поверхностью железного сердечника ротора. Прорези обеспечивают безопасность IPM на высокой скорости, но преднамеренно сформированные области между магнитами создают противодействующий крутящий момент. Магниты либо притягиваются, либо отталкиваются от других магнитов, но обычное сопротивление, сила, которая прикрепляет магнит к ящику с инструментами, притягивает лепестки железного ротора к RMF. IPM выполняют работу на более низких скоростях, а реактивный крутящий момент берет верх на высоких скоростях. Чтобы вы не думали, что это новинка, Prius использует их.
Окончательный тип двигателя не существовал в электромобилях до недавнего времени, потому что общепринятое мнение гласило, что бесколлекторные двигатели, которые описаны выше, были единственным жизнеспособным вариантом для электромобиля.
BMW недавно изменила эту тенденцию, установив щеточные синхронные двигатели переменного тока с токовым возбуждением на новые модели i4 и iX. Ротор этого типа взаимодействует с RMF статора точно так же, как ротор с постоянными магнитами, но в роторе отсутствуют постоянные магниты. Вместо этого он имеет шесть широких медных лепестков, питающихся от батареи постоянного тока для создания необходимой ЭДС. Для этого требуются контактные кольца и подпружиненные щетки на валу ротора, что заставило других отказаться от этого подхода из-за опасений по поводу износа щеток и связанной с ним пыли. Не будет ли здесь проблемой износ щеток? Это еще предстоит выяснить, но мы в этом сомневаемся. Массив щеток изолирован в изолированном отсеке со съемной крышкой, обеспечивающей легкий доступ. Отсутствие постоянных магнитов позволяет избежать проблем, связанных с ростом стоимости редкоземельных металлов и воздействием добычи полезных ископаемых на окружающую среду. Эта схема также позволяет варьировать силу магнитного поля ротора, что обеспечивает дальнейшую оптимизацию.
Тем не менее, для питания этого ротора требуется мощность, что делает эти двигатели менее эффективными, особенно на низких скоростях, когда энергия, необходимая для создания поля, составляет больший процент от общего потребления.
Появление синхронного двигателя переменного тока с возбуждением током произошло настолько недавно в короткой истории электромобилей, что это показывает, насколько рано мы находимся на кривой развития. Есть много места для свежих идей, и уже были сделаны важные повороты, не в последнюю очередь включая отход Теслы от концепции асинхронного двигателя, которая является основой для ее собственного бренда и логотипа, к синхронным двигателям с постоянными магнитами. И нам едва исполнилось десятилетие в современной эре электромобилей — мы только начинаем.
Автомобиль и водитель
Дэн Эдмундс
Технический редактор
Дэн Эдмундс родился в мире автомобилей, но не так, как вы могли подумать. Его отец был гонщиком на пенсии, открывшим Autoresearch, мастерскую по сборке гоночных автомобилей, где Дэн наработался на металлургическом заводе.
Затем последовала инженерная школа, затем гонки SCCA Showroom Stock, и эта комбинация позволила ему получить работу по разработке подвески в двух разных автопроизводителях. Его писательская карьера началась, когда Edmunds.com (не родственник) нанял его для создания отдела тестирования.
Этот 17-летний парень разработал двигатель, который потенциально может изменить индустрию электромобилей | Инновация
Роберт Сансоне со своим новым синхронным реактивным двигателем Общество наукиРоберт Сансоне — прирожденный инженер. От аниматронных рук до скоростных беговых ботинок и картинга, который может развивать скорость более 70 миль в час, изобретатель из Форт-Пирса, Флорида, считает, что в свободное время он выполнил не менее 60 инженерных проектов. А ему всего 17 лет.
Пару лет назад Sansone наткнулся на видео о преимуществах и недостатках электромобилей. В видео объясняется, что для большинства двигателей электромобилей требуются магниты, изготовленные из редкоземельных элементов, извлечение которых может быть дорогостоящим как с финансовой, так и с экологической точки зрения.
«У меня есть естественный интерес к электродвигателям, — говорит Сансоне, который использовал их в различных проектах по робототехнике. «С этой проблемой устойчивости я хотел решить ее и попытаться разработать другой двигатель».
Старшеклассник слышал о типе электродвигателя — синхронном реактивном двигателе, — в котором не используются эти редкоземельные материалы. Этот тип двигателя в настоящее время используется для насосов и вентиляторов, но сам по себе он недостаточно мощный, чтобы его можно было использовать в электромобиле. Итак, Сансоне начал мозговой штурм, чтобы улучшить его производительность.
В течение года компания Sansone создала прототип нового синхронного реактивного двигателя, который обладал большей силой вращения (или крутящим моментом) и эффективностью, чем существующие. Прототип был изготовлен из напечатанного на 3D-принтере пластика, медных проводов и стального ротора и протестирован с использованием различных измерителей для измерения мощности и лазерного тахометра для определения скорости вращения двигателя.
В менее экологичных двигателях с постоянными магнитами используются такие материалы, как неодим, самарий и диспрозий, которые пользуются большим спросом, поскольку используются во многих различных продуктах, включая наушники и наушники-вкладыши, объясняет Хит Хофманн, профессор электротехники и компьютерной инженерии в Университет Мичигана. Хофманн много работал над электромобилями, в том числе консультировал Tesla по разработке алгоритмов управления их силовым приводом.
«Кажется, что число приложений, использующих магниты, становится все больше и больше, — говорит он. «Многие материалы добываются в Китае, поэтому цена часто может зависеть от нашего торгового статуса с Китаем».
Хофманн добавляет, что Tesla недавно начала использовать постоянные магниты в своих двигателях.
Электродвигатели используют вращающиеся электромагнитные поля для вращения ротора. Катушки проволоки в неподвижной внешней части двигателя, называемой статором, создают эти электромагнитные поля. В двигателях с постоянными магнитами магниты, прикрепленные к краю вращающегося ротора, создают магнитное поле, которое притягивается к противоположным полюсам вращающегося поля. Это притяжение раскручивает ротор.
Синхронные реактивные двигатели не используют магниты. Вместо этого стальной ротор с прорезанными в нем воздушными зазорами выравнивается с вращающимся магнитным полем. Нежелание, или магнетизм материала, является ключом к этому процессу. Когда ротор вращается вместе с вращающимся магнитным полем, создается крутящий момент. Больший крутящий момент создается, когда коэффициент заметности или разница в магнетизме между материалами (в данном случае стальным и немагнитным воздушным зазором) больше.
Вместо того, чтобы использовать воздушные зазоры, Сансоне подумал, что может включить в двигатель другое магнитное поле. Это увеличило бы этот коэффициент заметности и, в свою очередь, произвело бы больший крутящий момент. В его конструкции есть и другие компоненты, но он не может раскрыть больше деталей, так как надеется запатентовать технологию в будущем.
Новый двигатель Sansone превзошел традиционный синхронный реактивный двигатель аналогичной конструкции в тестах на крутящий момент и эффективность. Роберт Сансоне«После того, как у меня появилась эта первоначальная идея, мне пришлось сделать несколько прототипов, чтобы проверить, будет ли эта конструкция действительно работать», — говорит Сансоне. «У меня нет тонны ресурсов для создания очень продвинутых двигателей, поэтому мне пришлось сделать уменьшенную версию — масштабную модель — с помощью 3D-принтера».
Потребовалось несколько прототипов, прежде чем он смог протестировать свой дизайн.
«На самом деле у меня не было наставника, который мог бы мне помочь, поэтому каждый раз, когда двигатель выходил из строя, мне приходилось проводить массу исследований и пытаться устранять неполадки, — говорит он. «Но в итоге на 15-м моторе я смог получить работающий прототип».
Сансон проверил свой двигатель на крутящий момент и КПД, а затем для сравнения перенастроил его для работы в качестве более традиционного синхронного реактивного двигателя. Он обнаружил, что его новая конструкция обеспечивает на 39 процентов больший крутящий момент и на 31 процент большую эффективность при 300 оборотах в минуту (об/мин). При 750 об/мин эффективность увеличилась на 37 процентов. Он не мог испытать свой прототип при более высоких оборотах в минуту, потому что пластиковые детали перегревались — урок, который он усвоил на собственном горьком опыте, когда один из прототипов расплавился на его столе, — рассказывает он 9.0003 Top of the Class , подкаст, созданный Crimson Education.
Для сравнения, двигатель Tesla Model S может развивать скорость до 18 000 об/мин, объяснил главный конструктор двигателей компании Константинос Ласкарис в интервью 2016 года Кристиану Руоффу для журнала об электромобилях Charged.
Сансоне подтвердил свои результаты во втором эксперименте, в котором он «изолировал теоретический принцип, согласно которому новый дизайн создает магнитную заметность», согласно презентации своего проекта. По сути, этот эксперимент исключил все другие переменные и подтвердил, что улучшения крутящего момента и эффективности коррелируют с большим коэффициентом значимости его конструкции.
«Он определенно правильно смотрит на вещи, — говорит Хофманн о Сансоне. «Есть потенциал, что это может стать следующей большой вещью». Однако он добавляет, что многие профессора работают над исследованиями всю свою жизнь, и «довольно редко они в конечном итоге захватывают мир».
Хофманн говорит, что материалы для синхронных реактивных двигателей дешевы, но машины сложны и, как известно, трудны в производстве.
Таким образом, высокие производственные затраты являются препятствием для их широкого использования и основным ограничивающим фактором для изобретения Sansone.
Сансоне соглашается, но говорит, что «с новыми технологиями, такими как аддитивное производство [например, 3D-печать], построить его в будущем будет проще».
Сейчас Сансоне работает над расчетами и трехмерным моделированием 16-й версии своего мотора, которую он планирует построить из более прочных материалов, чтобы протестировать ее на более высоких оборотах в минуту. Если его двигатель продолжит работать с высокой скоростью и эффективностью, он говорит, что продолжит процесс патентования.
Вся экспериментальная установка Sansone. Роберт СансонеБудучи старшеклассником Центральной средней школы Форт-Пирса, Сансоне мечтает поступить в Массачусетский технологический институт. Его выигрыш от ISEF пойдет на оплату обучения в колледже.
Сансон говорит, что изначально не планировал участвовать в конкурсе.