1. Принцип роботи і пристрій
2. види
3. Переваги та недоліки електродвигунів
4. пристрій електромобіля
5. Пристрій і особливості гібридних систем
6. Перспективи застосування електродвигунів в автомобілях

Електродвигун - пристрій, який займається перетворенням електроенергії в механічну. Він працює, використовуючи принцип електромагнітної індукціі.В останнім часом він все сильніше популяризується на автомобільному ринку в Як перспективний напрям розвитку автопромисловості. Тому є сенс детальніше ознайомитися з пристроєм електромобіля, його двигуна, за яким може бути майбутнє галузі.

Принцип роботи і пристрій

Електродвигун включає в себе статор і ротор. Обертове магнітне поле в статорі діє на обмотку ротора і наводить у ньому струм індукції, виникає крутний момент, який приводить в рух ротор. Електроенергія, яка надходить на обмотки мотора, перетворюється в механічну енергію обертання.

Завдяки розвитку технології електродвигуни знайшли застосування в різних галузях, наприклад, автомобілебудуванні. Причому вони здатні використовуватися або окремо, або спільно з двигуном внутрішнього згоряння (ДВС). Останній варіант - гібридні авто.

Від електродвигунів, що застосовуються на виробництвах, агрегат для авто відрізняється малими габаритами, але підвищеною потужністю. До того ж сучасні розробки все більше віддаляють двигуни для автомобілів від інших подібних пристроїв. Характеристиками електромобілів є не тільки показники потужності, крутного моменту, але і частота обертання, струм і напруга. Оскільки від цих даних залежить пересування та обслуговування авто.

види

Щоб краще розібратися в різноманітті, яке нам дарує авторинок, варто розглянути існуючі види електродвигунів для електромобілів.

Їх можна умовно класифікувати за типом струму:

• пристрою змінного струму;
• конструкції постійного струму;
• рішення універсального зразка (здатні функціонувати від постійного і змінного струму).

Електродвигуни змінного струму діляться на групи:

• асинхронні - швидкість обертання магнітного поля статора вище швидкості обертання ротора;
• синхронні - частоти обертання магнітного поля статора і ротора збігаються.

З урахуванням використовуваного кількості фаз, електричні пристрої поділяють на: одно-, дво-, трифазні.

Якщо навести реальні зразки, які використовуються відомими автовиробниками, то хороший приклад застосування трифазного агрегату асинхронного типу - Volt від Chevrolet. Він є гібридним автомобілем. Приклад трифазного синхронного двигуна - i-MiEV від Mitsubishi. А цей автомобіль є виключно електричним.

Силова установка Chevrolet Volt

Слід зазначити, що у різних виробників різні двигуни, що відрізняються масою, потужністю, габаритами і іншими параметрами.

Є ще одна класифікація - по конструкції щітково-колекторного вузла. Такі агрегати бувають:

• Безколекторними. Являють собою замкнуту систему, в яку входять: перетворювач координат, інвертор і сповіщувач положення.
• Колекторними. Щітково-колекторний вузол грає роль в такій конструкції одночасно і сповіщувача положення ротора, і перемикача струму в обмотках. В основному використовується струм постійної частоти.

ротор електродвигуна

У конструкціях електромобілів часто задіюються колекторні мотори, хоча є приклади і з іншими моделями. Як варіант - автомобіль «Санрейсер», в якому встановлений якраз безколекторний двигун від компанії General Motors. При масі 3,6 кг його ККД становить 92%.

Не можна не відзначити ще один тип двигуна, який використовується в деяких сучасних моделях авто. Це система мотор-колесо. Приклад - спорт-кар Volage. У такій конструкції передбачена можливість регенерації енергії гальмування. Для цього використовується тяговий двигун Active Wheel. Він важить всього 7 кг, що дозволяє домогтися прийнятної маси колеса - 11 кг.

Найпоширенішою сьогодні конструкцією є рішення з живленням від акумуляторної батареї. Вона має потребу в регулярному зарядці, здатної реалізуватися за рахунок зовнішніх джерел, генератора в конструкції і рекуперації енергії гальмування. Генератор діє від ДВС, тому така схема роботи вже не відноситься до чисто електричним. Подібні машини називають гібридними.

Переваги та недоліки електродвигунів

Виділимо гідності електричних агрегатів:

• високий коефіцієнт корисної дії - до 95 відсотків;
• компактність, мала вага;
• простота використання;
• екологічність;
• довговічність;
• створюється максимальний показник крутного моменту на будь-який позначці швидкості;
• повітряне охолодження;
• здатні функціонувати в режимі генератора;
• не потрібна коробка передач;
• можливість рекуперації енергії гальмування.

Як приклад успішної розробки моделі з високими характеристиками можна привести мотор від Yasa Motors. Інженери компанії створили агрегат, який при вазі 25 кг здатний видавати до 650 Нм крутного моменту.

Електродвигун Yasa Motors

Що стосується недоліків безпосередньо електродвигуна, то їх немає. Більше питань викликає харчування агрегату, що, власне, і гальмує поширення, широке використання технології. Тому на даний момент більшою популярністю користуються гібридні авто, ніж електромобілі. Завдяки такій схемі збільшується запас ходу, дозволено використовувати менш потужні і дорогі акумуляторні батареї.

пристрій електромобіля

Якщо порівнювати електромобіль з авто, де використовується ДВС, він характеризується більш простою схемою, мінімальним числом рухомих елементів. Отже, таке рішення є більш надійним.

Головні складові електромобіля:

• безпосередньо електродвигун;
• живить акумуляторна батарея різної ємності, яка пов'язана з потужністю двигуна;
• спрощена трансмісія;
• інвертор;
• зарядний пристрій на борту;
• електронна система управління елементами конструкції;
• перетворювач.

Харчування мотора в цій схемі організовує, звичайно ж, тягова акумуляторна батарея. Найчастіше задіюється літій-іонний тип, що включає в себе кілька модулів, підключених послідовно. На виході акумулятора формується напруга від 300 (В) постійного струму. Потужність змінюється залежно від моделлю авто. Сучасні зразки здатні створювати і 700 В. Приклад - автомобілі Lola-Drayson, розроблені для гонок. Вони оснащуються батареями напругою 700 (В) і ємністю 60 кВт⋅ч.

Для коректної взаємодії ємність батареї підбирається з урахуванням потужності двигуна. Цей показник в переважній більшості конструкцій становить від 15 до 200 (кВт). Якщо порівняти електричний двигун з ДВС, то у першого ККД становить 95%, а в іншого - 25%. Різниця істотна.

Є приклади в автомобілебудуванні, коли в конструкції використовується кілька агрегатів. Вони можуть приводити в рух певні колеса. Такий принцип організації дозволяє збільшити тягову потужність авто. Двигун, інтегрований в колесо, має масу переваг, однак такий пристрій тягового електродвигуна характеризується погіршеної керованістю транспортного засобу. Тому розробники продовжують вести активну діяльність в цьому напрямку.

Електродвигун з редуктором (вид знизу)

Що стосується трансмісії, то у електромобіля вона має спрощений вигляд. Багато конструкцій оснащені одноступінчастим редуктором. Завдяки инвертору відбувається перетворення високої напруги постійного струму батареї. За рахунок наявності в конструкції бортового зарядного пристрою гарантується зарядка акумулятора від електромережі побутового призначення.

Забезпеченням зарядки додаткової батареї на 12 (В) займається перетворювач. Ця батарея задіюється в якості живильного елемента різних пристроїв транспортного засобу:

• аудіосистеми;
• клімат-контролю;
• освітлення;
• опалювальної системи;
• інших елементів.

Система управління організовує такі процеси:

• моніторинг використовуваної енергії;
• управління рекуперацією енергії гальмування;
• оцінка рівня заряду;
• управління динамікою руху;
• забезпечення необхідного режиму переміщення транспортного засобу;
• регулювання тяги;
• управління напругою.

Система об'єднує блок управління, датчики та інші елементи інших систем авто. Завдяки датчикам оцінюється рівень тиску в гальмівній системі, розряду батареї, а також положення селектора перемикання передач, гальмівної педалі і педалі газу. За даними цих пристроїв забезпечується оптимальне переміщення електромобіля з урахуванням поточних умов. На панелі приладів традиційно відображаються основні показники функціонування транспортного засобу.

панель приладів Tesla

Зовні електромобіль не має відмінностей від традиційного автомобіля з ДВС, проте основні розбіжності знаходяться в області експлуатації: висока вартість, необхідність тривалої зарядки, обмежений хід. Тому пристрій електромобіля має певні розбіжності зі складом традиційного транспортного засобу.

Висока вартість авто формується в основному через ціну на акумулятори, які ще й мають невеликий термін служби - до 7 років. Це змушує фахівців шукати нові рішення для вдосконалення технології: літій - полімерні батареї, суперконденсатори, паливні елементи і інші.

Витрати на утримання електромобіля найчастіше нижчі, ніж авто з ДВС, особливо в тих державах, де вартість електроенергії низька.

Слабким місцем електромобіля є також невисокий рівень автономного функціонування, викликаний коротким кілометражем без підзарядки. Цей параметр визначається багатьма факторами:

• стилем водіння;
• умовами і швидкістю пересування;
• ємністю використовуваних акумуляторів;
• рівнем використання додаткового обладнання.

Наприклад, при швидкості 80 км / ч середній показник дальності пересування електричного транспортного засобу складе близько 140 км. Якщо ж підвищити швидкість до 120 км / год, цей показник різко впаде до 80 км. Завдяки впровадженню систем рекуперативного гальмування ступінь автономності може підвищуватися до показника в 300 км і більше.

Як зазначалося, зарядка акумулятора вимагає багато часу, тому цей недолік вирішується декількома підходами:

• заміна батареї на заряджену (послугу можуть надавати на спеціальних станціях);
• прискорена зарядка - за півгодини може зарядитися 80% ємності акумулятора;
• нормальний режим - тривалість зарядки може скласти 8 годин.

Пристрій і особливості гібридних систем

Застосування гібридних автомобілів не тільки має свої переваги, наприклад, екологічні, але й переслідує певну мету діючих гравців автомобільного ринку. Компанії мають намір зберегти налагоджене конвеєрне виробництво двигунів внутрішнього згоряння. А постійне посилення норм викиду шкідливих речовин - зайве тому підтвердження.

По суті, гібридні системи мають на увазі використання електродвигуна як додатковий елемент, який сприяє підвищенню потужності і економії палива. Адже всі подібні машини починають рух саме завдяки ДВС.

Гібридні системи умовно можна розділити на підвиди:

• Інтегроване сприяння мотору.
• Інтегрований генератор стартера. Система, як і попередня, дозволяє починати рух машині, тільки в цьому випадку використовується менший електродвигун.
• Система зупинки / старту двигуна. Відбувається відключення мотора, коли його потужність не використовується, а потім він запускається моментально, як тільки це необхідно.

Розрізняють також три види «гібридів»:

• Паралельний. В цьому випадку батареї передають енергію електродвигуна, а бак - паливо для ДВС. Обидва агрегати здатні створити умови для переміщення транспортного засобу.
• Послідовний. ДВС повертає генератор, який може або завести електродвигун, або зарядити акумулятори.
• Послідовно-паралельна. ДВС, електродвигун і генератор з'єднані з колесами через планетарний редуктор.

Більшість існуючих зараз гібридних автомобілів відносяться до паралельним. Хорошим рішенням є транспортний засіб з підзарядкою. Воно відкриває нові експлуатаційні можливості, нівелюючи недолік обмеженості пробігу. При вичерпанні заряду акумулятора в роботу вступає ДВС малої потужності.

Гібридна система істотно знижує рівень виведених газів і збільшує продуктивність витрати палива, що особливо актуально в умовах великого населеного пункту. А рекуперативна система акумулює енергію.

Управління гібридним транспортним засобом схоже на управління звичайним автомобілем з автоматичною коробкою передач. Тільки в цьому випадку забезпечується низький рівень шуму, краща керованість і підвищена потужність. При цьому не потрібно спеціально заряджати акумуляторну батарею, це відбувається при роботі автомобіля.

Перспективи застосування електродвигунів в автомобілях

Судячи з поточним тенденціям, світові лідери автомобільної промисловості, політики та інші впливові особи всерйоз взялися за те, щоб розвивати галузь виробництва електричних автомобілів. Це видно по регулярно впроваджуються нормам, які постійно підвищують планку по викиду максимального рівня шкідливих газів в атмосферу, і по потужної рекламної кампанії, яка розгорнулася в медіапросторі в підтримку такого типу транспортних засобів. У розвинених країнах з кожним роком зростає кількість заправних станцій, що забезпечують зарядку електромобілів.

Тому відкриваються великі можливості інженерам для розвитку галузі. І для цього є два основних напрямки - адаптувати серійні автотранспортні засоби або вести розробку нових моделей. Звичайно, менш витратним заходом є вдосконалення існуючих моделей.

Якраз європейські фахівці і займаються поліпшенням нинішніх гібридних двигунів, в той час як японські компанії зайнялися вдосконаленням звичайного двигуна. Їм вдалося збільшити ступінь стиснення. При цьому склад палива залишився незмінним.

У свою чергу, німецькі розробники встановили небувалий рекорд. Створеному електромобілю вдалося проїхати без підзарядки цілих 600 км. Для автомобілів з ДВС це не показник, проте електромобілі можуть похвалитися тепер і такими можливостями.

Справа в тому, що навіть Tesla, провідний учасник ринку, ще не зареєструвався легкий акумулятор, який зміг витягнути цю відстань. А в цьому випадку розробникам вдалося досягти показника в 600 км.

Автомобіль проїхав відстань між двома німецькими містами - Мюнхеном і Берліном. Його середня швидкість пересування по трасі склала близько 90 км / ч. Встановлення подібного рекорду стало можливим завдяки плідній роботі підприємства DBM Energy, яке в тісній співпраці з Lekker Energie створило таке рішення.

У електромобілі була встановлена ​​акумуляторна батарея ємністю 115 кВт / год. Завдяки цьому транспортний засіб здатний збільшувати потужність до 55 кВт, що відповідає приблизно обсягом 1,4 Л для бензинового двигуна. Ефективність такої батареї доводить установка в навантажувач, який здатний збільшити час своєї роботи в чотири рази, якщо порівнювати дії зі звичайним акумулятором. Саме цей ємнісний агрегат було встановлено на німецький автомобіль Audi A2.

Може скластися враження, що автомобіль «порожній», проте це не так. Організатори експерименту оснастили його всім необхідним: кондиціонером, підсилювачем керма, аудіосистемами, системами безпеки і навіть підігрівом сидінь. Тому споживання енергії, крім переміщення, потрібно для виконання і інших функцій.

Як стало відомо, подібна технологія знаходиться на розгляді міністерства економіки Німеччини, тому цілком можливо, що вже незабаром ця галузь отримає новий поштовх. Вже є плани, за якими до 2020 року уряд країни має намір досягти показника в один мільйон електричних автомобілів на європейських дорогах. Причому це не тільки транспортні засоби особистого користування, а й іншого призначення.

До того ж один з менеджерів компанії Lekker Energie повідомив, що використовується акумулятор на автомобілі А2 здатний забезпечити загальний пробіг на рівні 500 тисяч кілометрів.

Є і ще один рекорд в цьому напрямку, поставлений Japan Electric Vehicle Club. Однак він стосується чистого експерименту. Це означає, що для повсякденного використання такої електрокар не пристосований. В результаті японцям вдалося побити рекорд - 1 тис. Км без підзарядки.

Які б розробки не велися в цій області, вони зводяться до того, що їх повинні підтримати гіганти автомобільної промисловості. Тільки їм під силу впровадити гідне нововведення, поширюючи його по всьому світу, створюючи необхідну інфраструктуру, сервіс та інші необхідні засоби. Все це вимагає великих витрат, тому запропонована ідея може бути втілена в життя, якщо розрахунки за її реалізації дадуть дійсно істотний прибуток і встановлять нову планку стандартів на світовому ринку.

Проте, з огляду на поточний стан речей, навряд чи варто припускати, що вже дуже швидко електромобілі займуть свою велику нішу в автомобілебудуванні. І важливий фактор, пригальмовує прогрес - психологія людини. Дуже непросто переконати автомобілістів пересісти з бензинових і дизельних автомобілів на електричні. Це особливо складно зробити тим, хто займається автогонками або є любителем динамічної їзди.

Електромобіль Tesla Model S

Але тенденція до зміни ставлення до такого явища, як електрокар, вже проявляється. Сьогодні все більше подібних автомобілів можна зустріти на дорогах не тільки Європи, а й Росії. Нехай їх ще трохи, але їх доповнюють безкоштовні зарядні станції в деяких країнах, що дозволяють переміщатися на великі відстані. Тому електричний транспорт поступово стає природним учасником дорожнього руху, закладаючи фундамент нової ери машинобудування.