Современный электродвигатель

Для большинства экологичных машин, таких как серийные электромобили, гибриды и автомобили на топливных элементах, главная движущая сила — это электрический двигатель. В основу работы современного электродвигателя положен принцип электромагнитной индукции — явления, связанного с возникновением электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока.

Тесная взаимосвязь между магнитными и электрическими явлениями открыла перед учеными новые возможности. История электрического транспорта и всего электромашиностроения в целом начинается с закона электромагнитной индукции, открытого М. Фарадеем в 1831 году, и правила Э. Ленца, согласно которому индукционный ток всегда направлен таким образом, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Труды Фарадея и Ленца легли в основу создания первого электродвигателя Бориса Якоби.

Современные электродвигатели, хоть и основаны на одном и том же законе, что и электромеханический преобразователь Якоби, но существенно от него отличаются. Со временем электрические моторы стали мощнее, компактнее, кроме того, их КПД значительно вырос. Коэффициент полезного действия современного тягового электродвигателя может составлять 85-95 %. Для сравнения, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания без вспомогательных систем едва ли дотягивает до 45 %.

Виды современных электродвигателей

Электрические двигатели различаются по роду питающего напряжения:

• Двигатель переменного тока
• Двигатель постоянного тока

по числу фаз питающей сети:

• Однофазный электродвигатель. С одной рабочей обмоткой, подключается к однофазной сети переменного тока;
• Двухфазный электродвигатель. Имеет две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90 градусов;
• Трехфазный электродвигатель. Подключается к трехфазной сети переменного тока, имеет 3 обмотки, магнитные поля которых расположены через 120 градусов.

по конструктивному исполнению:

• Коллекторный. Переключателем тока в обмотках и датчиком положения ротора является тоже самое устройство — щёточноколлекторный узел. Работает преимущественно на постоянном токе, однако современные электродвигатели, так называемые универсальные коллекторные двигатели, могут одновременно работать на постоянном и переменном токе;
• Бесколлекторный. Вентильные двигатели постоянного тока выполнены в виде замкнутой системы с датчиком положения ротора, инвертором и преобразователем координат.

по принципу работы:

• Синхронный электродвигатель. Электромеханическая машина, в которой ротор вращается синхронно с магнитным полем переменного тока;
• Асинхронный электродвигатель. Частота вращения ротора асинхронного двигателя переменного тока не совпадает с частотой вращения магнитного поля, которое создается током обмотки статора.

и по способу возбуждения:

• с возбуждением от постоянных магнитов;
• с параллельным возбуждением;
• с последовательным возбуждением;
• с последовательно-параллельным.

Тяговый электродвигатель для электромобиля

Электрический двигатель для современного электромобиля может быть как постоянного, так и переменного тока. Его основная задача — передача крутящего момента на движитель электромобиля. Основные отличия современного тягового электродвигателя от традиционной электромеханической машины являются большая мощность и компактные размеры, вызванные ограниченностью используемого пространства. В качестве характеристик тягового электромотора, кроме мощности и максимального крутящего момента, учитываются напряжение, ток, а также частота вращения.

Мотор-колесо

В последнее время в качестве двигателя для электромобиля инженеры используют систему мотор-колесо, правда, все чаще на концепт-карах. Исключением стал Volage – спортивный электромобиль, построенный силами Venturi и Michelin, который скоро поступит в продажу. Технология Active Wheel имеет ряд преимуществ. Все активные системы безопасности, такие как ABS, ESP, Brake Assist и Traction Control можно прошить в управляющий софт, после чего они смогут воздействовать на каждое колесо в отдельности. Добавим к этому мобильность системы и способность регенерировать энергию торможения.

Конечно, есть и недостатки. Попробуйте впихнуть кучу механизмов внутрь маленького обода. Если это и получится, то вес колеса увеличится, а это плохо скажется на управляемости, повысится износ подвески, увеличится передача вибрации на кузов. Идеальный вес автомобильного колеса должен составлять 10-30 кг. Инженерам Michelin удалось вписаться в эти рамки – тяговый электродвигатель Active Wheel весит всего 7 кг, а остальная механика системы укладывается в 11 кг.

Преимущества и недостатки электродвигателя

Преимуществ перед ДВС у электродвигателя много:

• Малый вес и достаточно компактные размеры. К примеру инженеры Yasa Motors разработали мотор весом 25 кг, который может выдавать до 650 Нм.
• Долговечность, простая эксплуатация.
• Экологичность.
• Максимальный крутящий момент доступен уже с 0 об/мин.
• Высокий КПД.
• Нет необходимости в коробки передач. Хотя, по мнению специалистов, электромобилю она не помешает.
• Возможность рекуперации.

Существенных недостатков у самого электродвигателя нет. Но есть большие сложности в его питании. Несовершенство источников тока не дают пока что массово использовать электродвигатели в автомобилестроении. Но, как мы знаем, человеческий ум не любит преграды…

Копаемся в начинке Jaguar I-Pace: как устроен первый «нормальный» электромобиль?

Великобритания, 2013 год. Вездесущие шпионы-фотографы сообщили в СМИ об испытаниях очень странного автомобиля — Land Rover Defender актуального поколения, но с электрической силовой установкой. Понятное дело, до конвейера эта модель не доедет, но зачем же британцам понадобился такой спорный прототип? Ответ на этот вопрос был дан в ноябре 2016 года, когда компания JLR показала миру предсерийный концепт электрического Jaguar I-Pace. На «Дэфе» британцы тестировали силовую установку будущего электро-Jag’a. Сейчас это уже полноценный серийный автомобиль, который можно официально приобрести и на территории ТС. Спросите, почему мы считаем «ай-пейс» первым нормальным электрокаром? Потому что он создан не для понтов и демонстрации окружающим, что вы «не такой как все», а для нормальной эксплуатации здесь и сейчас. По сути, у I-Pace пока нет конкурентов. Только не говорите нам про Tesla!

Сегодня на рынке хватает электромобилей. Каждый уважающий себя автопроизводитель уже либо выпускает EV-модель, либо анонсировал оную. Но практически все электрокары представляют собой некий набор компромиссов. Возьмем, к примеру, всеми любимую Tesla. Имеется неплохой запас хода, отличная динамика и продвинутые автономные системы. Но в нагрузку мы получаем ужасный салон 10-летней давности, неоправданно высокую цену и отсутствие ощущения машины. Ты словно ездишь на гаджете (который разрабатывали 10 лет назад).

В случае с более доступными электрокарами типа Nissan Leaf или BMW i3 мы получаем непозволительно малый запас хода, преимущественно уродливый внешний вид и навязывание экофилософии, которая уже начинает раздражать. Эксперты резонно не считают электромобили экологически чистыми. Такой транспорт лишь позволяет перенести место выбросов вредных веществ из одного места в другое. Панде в Тибете от этого ни холодно ни жарко — атмосфера засоряется в любом случае, так что опустим этот вопрос. Получается, что если даже у вас есть большие деньги и вы хотите нормальный электрокар, похожий на современный автомобиль, выбрать вам не из чего. Либо убогий салон, либо дизайн как у микроволновки будущего, либо запас хода как у самоката Xiaomi.

Первым электромобилем без серьезных «но» на нашем рынке стал Jaguar I-Pace. Если не считать BMW i3 — это вообще первый электрокар, который можно официально купить и обслуживать в Беларуси. Onliner еще со времен первых Tesla в Минске подробно описывает электромобили и ищет ответы на все вопросы, связанные с новым типом транспортных средств. Давайте разберем по винтикам и этого британского «электрохищника». В статье вы не только узнаете, что из себя представляет I-Pace, но и в целом поближе познакомитесь с устройством электрокара. Наберитесь терпения, букв сегодня будет немало.

Флагман «Образа жизни»

Компания Jaguar последовала примеру LR и разделила весь свой модельный ряд на три семейства: «Спорт», «Образ жизни» и «Роскошь». I-Pace, как и два остальных кроссовера Jaguar, относится к «Образу жизни». Электрический SUV, видимо из-за цены, позиционируется как флагман семейства.

Стоит модель в России 5,8 млн рублей (87,5 тыс. долларов). Примерно как Tesla Model 3.

По размерам «ай-пейс» схож с кроссоверами С-SUV, поэтому ни о каком «ответе» Tesla Model X речи не идет. Новинка Jaguar, как и Audi e-tron, представляет собой компактный SUV, с которым в будущем, возможно, сразится Tesla Model Y (на базе Model 3). Но из-за малого количества EV-моделей электрокары трудно классифицировать, поэтому обычно их сравнивают по цене, а не типу кузова. Получается, человек, выбирающий I-Pace, может посматривать в сторону Tesla Model 3. Для того чтобы определиться, достаточно изучить салоны обеих машин хотя бы по фотографиям.

Основа

В основе I-Pace лежит так называемая «скейтборд»-платформа. На осях расположены силовые блоки двигателя и высоковольтная часть. В колесной базе нашлось место для 605-килограммовой литий-ионной батареи емкостью 90 кВт·ч. Подвеска — единственное, что напоминает здесь об автомобилях с ДВС. Спереди применяются двойные поперечные рычаги. Сзади — фирменная «ягуаровская» многорычажка Integral Link.

В опциях есть пневмоподвеска, которая мало того что делает электрокар более комфортным, но и позволяет увеличить клиренс до 20 см. С Discovery в проходимости «ай-пейс» не потягается, зато даст фору любому другому электромобилю. А еще этот Jaguar — первый на рынке EV-SUV, который может преодолевать брод глубиной 50 см. В таких режимах вся высоковольтная часть находится под водой, и инженерам пришлось попотеть, чтобы герметично защитить все это электродобро. В арсенале Jaguar присутствует даже «внедорожный круиз-контроль». Не позорит Электроник фамильные ценности концерна!

Есть ли у электрокара коробка передач?

Новинка доступна только в полноприводном варианте и по умолчанию оснащена двумя абсолютно одинаковыми моторами — по одному на оси. Это синхронные электродвигатели с постоянными магнитами. О них мы поговорим чуть позже, а сейчас развеем распространенный миф. Часто говорят, что у электрокаров нет трансмиссии или (чаще) что трансмиссия «бесступенчатая».

Каждый мотор весит 78 кг и имеет размеры 35×50 см. Это очень компактные размеры относительно мощности.

На I-Pace все же есть одна передача. Если бы ступеней было две (как на гоночных прототипах «ай-пейс»), то устройство называлось бы коробкой передач (во множественном числе). Но у нас передача одна, поэтому грамотнее называть это редуктором. Электродвигатель крутится с гораздо большим количеством оборотов, нежели колеса машины. Следовательно, редуктор имеет передачу с понижающим передаточным числом, что позволяет ему уравнять обороты.

Как устроен электромотор?

Все мы примерно представляем процессы, которые происходят в ДВС. А вот электромобили с батей в гараже еще вряд ли кто-нибудь разбирал. Но уже, кажется, пора вникать, как там что устроено. Благо в электрокарах все намного проще, чем в случае с бензиновыми или дизельными машинами, а многое вовсе продублировано. Вот разберем, например, электромотор. Перенесемся в 9-й класс школы прямиком на урок физики. Тема урока — «Закон электромагнитной индукции».

Помните, как учитель демонстрировал катушку и магнит, на примере которых нам объясняли действие этого закона? Если подать ток на обмотку медной проволоки, на ней возникнет электромагнитное поле. И если рядом находится магнит (неважно, постоянный или электромагнит), он начнет взаимодействовать с катушкой. Магнит будет крутиться, то есть совершать некую физическую работу. Это и есть принцип работы электромотора. Есть и обратный процесс: если мы физически заставим магнит крутиться, то зафиксируем возникновение излишков тока на обмотке. Кто первый сказал слово «рекуперация»? Все правильно, она родимая! По сути, таков принцип работы стартера и генератора в вашей машине. Так вот электромотор во всех электрокарах умеет переключаться из режима стартера в режим генератора.

Суммарная отдача электродвигателей в I-Pace — 400 л. с. и 700 Н·м. КПД — почти 100%. Трущихся частей здесь нет, и минимальные потери идут разве что на подшипники. Для сравнения, лучшие представители ДВС (это современные дизели, от которых все поголовно отказываются) выдают КПД в 45—48%.

Основные части электромотора — это статор и ротор. Статор представляет собой полый корпус с обмоткой из медной проволоки, которая намотана в три фазы (двигатель I-Pace работает на трехфазном токе переменного типа). Внутри на оси крутится ротор с постоянными магнитами. Вот и все! Подали ток на обмотку статора, и он вращает ротор, который через редуктор передает крутящий момент на колесо. Проще простого.

При распространении электрокаров из обихода автолюбителей исчезнет страшное словосочетание «ресурс двигателя». Ведь мы имеем дело с двумя элементами, которые даже не соприкасаются друг с другом (статор и ротор имеют между собой воздушную прослойку). Здесь практически нет никакого нагревания, здесь нечего смазывать и нечего обслуживать. Через несколько сотен тысяч километров, возможно, придется профилактически поменять подшипники. Троллейбусы, выпущенные в СССР, до сих пор катаются с родными электромоторами. Регламент профилактического обслуживания такого агрегата составляет раз в 2 млн км. Электродвигатель имеет два состояния — либо он работает, либо не работает. Сломаться там нечему. Больше вопросов к программному обеспечению и ресурсу батареи.

Чем отличаются синхронные электродвигатели от асинхронных?

На I-Pace, как и на большинство других электрокаров, устанавливаются синхронные электромоторы. Асинхронные используются только в Tesla Model S и Х (у Model 3 синхронные). В чем же разница между этими двумя силовыми агрегатами, которые уже у всех на слуху? Разница примерно такая же, как между дизельными и бензиновыми моторами — принцип работы одинаковый, но некоторые процессы отличаются.

Синхронный двигатель. Он так называется потому, что электромагнитное поле, которое создается и вращается на статоре, имеет такую же скорость, как и у ротора. Они словно находятся в виртуальном «зацепе». Инвертор подает ток на обмотку, приводя в движение электромагнитное поле, и с такой же скоростью начинает вращаться ротор, передающий момент на колеса (как мы помним, через редуктор с понижающим передаточным числом).

Асинхронный двигатель. Здесь же ротор пытается как бы «догнать» вращающееся электромагнитное поле. Получается, ротор вращается с некоторой задержкой, и если его обороты сравняются с оборотами электромагнитного поля, то крутящий момент обнулится. В асинхронных двигателях происходит постоянное управление процессом, чтобы электромагнитное поле всегда обгоняло вращение ротора.

Синхронные электромоторы дороже в производстве. В таких агрегатах на роторе используются постоянные магниты из редких (и очень дорогих) металлов. Эти двигатели мощные и компактные, и КПД с точки зрения размера и веса у них выше. Асинхронные электромоторы ставят туда, где нужно сэкономить на производстве и где есть место для установки более габаритных агрегатов. Jaguar — машина небольшая, поэтому выбор пал на «синхроны».

«Ай-пейс» имеет межсервисный интервал в 34 тыс. км либо раз в два года. Первые ТО — это контрольные проверки, обновление ПО, периодическая замена охлаждающей жидкости, фильтров.

У I-Pace нет самоблокирующегося или принудительно блокируемого дифференциала, нет углового редуктора, который с промежуточной шестерней достаточно чувствителен к высокому крутящему моменту (редуктор здесь планетарного типа). В общем, инженеры постарались обойтись без экспериментов, чтобы сохранить высокую надежность машины. Владельцы «ай-пейса» будут здороваться друг с другом в городе даже вечером!

Один из приводов колес проходит прямо сквозь двигатель. Получается ось в оси. Здесь используется обычный дифференциал открытого типа. Из одной части мотора привод уходит на одно колесо, а из другой части дифференциала сквозь вал двигателя привод направляется на противоположное колесо. Все находится на одной оси. Инженерам Jaguar не потребовалось делать соосную конструкцию, вынося куда-нибудь мотор с трансмиссией, а потом делать угловой редуктор. Это сохранило много места.

Зачем машине трансформатор (инвертор)?

Все электромобили оснащены инвертором, который преобразует постоянный ток в переменный и обратно. Вкратце проясним. Двигатель работает на переменном токе, а для хранения электричества в аккумуляторе нужен постоянный. Если мы нажимаем на газ, на бортовой компьютер посылается сигнал, что нужно взять у аккумулятора постоянный ток, отправить его на инвертор, преобразовать в переменный и подать на катушки статора. Мгновенно начинается вращение электромагнитного поля вместе с ротором. Происходит разгон. Чем сильнее мы жмем на педаль — тем больше тока подается на медную обмотку и тем выше обороты ротора и, соответственно, колес.

Рекуперация

Можно ошибочно подумать, что когда мы отпускаем газ, ток с катушек уходит, а ротор электродвигателя вращается и возвращает ток обратно аккумулятору. На деле все сложнее. Ток с катушек не уходит, потому что для работы всего процесса необходимо электромагнитное поле. Инвертор подает ток на обмотку мотора, даже если мы отпустили газ. Во время езды накатом ротор вращается с определенной скоростью, потому что его крутят колеса. И в этот момент инвертор искусственно замедляет вращение электромагнитного поля в статоре. Возникает так называемая обратная электромагнитная сила, которая будет пытаться остановить ротор (поэтому машина замедляется), но при этом на обмотках появится избыточный ток. Вот эту разницу инвертор снимает с обмотки и перенаправляет обратно в батарею в виде постоянного тока. Если запутались, просто запомните: отпустил педаль газа на ходу — автомобиль стал заряжаться. Рекуперация есть у всех электрокаров, и принцип ее работы не отличается.

В I-Pace два уровня рекуперации: «мягкий» и максимальный. Наловчившись, на последнем можно постоянно ездить «в одну педаль». Если в таком режиме отпустить педаль газа, то отрицательное ускорение достигнет 0,7 G! «Мягкий» режим схож с машинами с ДВС. В этом случае автомобиль более понятен и не вызывает «чужих» ассоциаций. Если не ездили на электрокарах, первое время лучше кататься именно в таком режиме.

Любопытно, что у Jaguar стоп-сигналы не привязаны к левой педали, а настроены на определенные отрицательные ускорения самой машины. Более того, если вы нажимаете педаль тормоза, это еще не значит, что будут задействованы колодки. Рекуперация здесь хитрая. Педалью тормоза создается дополнительная часть отрицательного усилия магнитного поля на обмотке, поэтому колодки «курят», даже если вы слегка притормозили ногой. Примечательно, что это сделано не столько для увеличения запаса хода (в аккумулятор поступит не намного больше тока), сколько для сохранения колодок. Они здесь почти не расходуются.

Запас хода у I-Pace — 470 км. Реальная цифра составит километров 350, что тоже много. Зимой поездки дальше, чем на 200 км, лучше не планировать. Машина сугубо городская.

Самый алюминиевый Jaguar

Конструкция этого электрокара на 94% состоит из алюминия. Центр тяжести очень низкий — треть массы находится на высоте оси. Развесовка по осям как у спорткара — 50:50. Причем это не те «50 на 50», что у машин с ДВС. Ведь у электромобиля нет «гири» в виде ДВС за передней осью. Центр тяжести у I-Pace не «гуляет» при динамичной езде. Получается, самый тяжелый элемент модели находится под водителем, и это обеспечивает идеальную управляемость. Полный привод работает без каких-либо ограничений. Здесь нет раздаточной коробки, нет карданного вала и каждый мост «сам себе хозяин». Просто рай для любителей трек-дней.

Имеется у I-Pace и система Torque Vectoring By Braking, знакомая по другим моделям Jaguar. Она «прикусывает» внутренние колеса в поворотах, чтобы машина быстрее совершила маневр. Если вы уже ездили на других электромобилях, то «ай-пейс» вряд ли вас удивит. Но если это первый EV в вашей жизни, то готовьтесь к приятным сюрпризам. Доступная с первых секунд полка крутящего момента буквально телепортирует электрокар из одной точки в другую. До сотни машина разгоняется за 4,8 секунды, но поражает другое — эластичность. Цифру 80 на спидометре I-Pace изменит на 120 быстрее многих бензиновых спорткаров.

Не в вакууме

Несмотря на относительную тишину подкапотного пространства, в электрическом Jaguar не ощущаешь себя изолированным. Аэродинамические шумы дополняются высокочастотным воем электрической силовой установки. При желании водитель может включить звук бензиновой машины, и тогда нажатие на педаль газа будет сопровождаться имитацией V8 в колонках акустической системы. Британцы делали I-Pace по лекалам современных автомобилей, поэтому когда ты передвигаешься на этом электрокаре, ты все еще чувствуешь себя в 2019 году, просто в машине с нетрадиционной установкой. Радует, что из Jaguar на «батарейках» не сделали странное подобие автомобиля, как в случае с BMW i3, а построили полноценную модель.

Салон

Внутри все очень напоминает другие модели JLR. Вот 2-этажная центральная консоль, как у Velar. Узнаю знакомую по другим «британцам» мультимедийную систему и цифровой «климат». Да и кругляши-клавиши 2-зонного климат-контроля уже видел. Правда, этой шайбой теперь можно не только включать подогрев кресел, но и активировать вентиляцию (нужно потянуть шайбу на себя). Лично мне не нравится запутанное меню нынешней мультимедийной системы JLR. Есть очень спорные решения, да и картинка порой тормозит («спасибо» одному-единственному процессору, отвечающему за всю эту электронику).

В комплекте — «шнур бесконечности»

Задний багажник имеет внушительный объем для таких габаритных размеров, а вот передний до безобразия мал (особенно если сравнивать с Tesla). Последний подойдет разве что для хранения зарядного провода. В комплекте с машиной идет шнур для зарядки от бытовой розетки, которая полностью заряжает аккумулятор примерно за вечность.

Придется докупать станцию фирмы Schneider Electric, с которой сотрудничает Jaguar. Зарядный Wallbox стоит пару тысяч долларов. Такая станция отдает трехфазный ток, но встроенная в I-Pace зарядка принимает лишь одну фазу. Получается, машина может «заливать» в себя только 7 кВт. Полностью разряженную батарею придется заряжать до 100% на протяжении 12 часов (не зря такую зарядку называют «ночной»). На общественных станциях «ай-пейс» можно заряжать шнурком CCS, когда помимо одной фазы переменного тока «льется» до 1000 вольт постоянного (слот для этой зарядки закрывается отдельной заглушкой ниже основного выхода). CCS пополняет заряд с нуля до 80% за 40 минут. Уже можно жить! Отметим, что у Tesla бортовая зарядка имеет три фазы. Учитесь, JLR.

Можно брать!

Электромобиль I-Pace не воспринимается как новомодный девайс с намеком на будущее. Это сегодняшний электрокар для сегодняшних людей. Здесь все максимально приближено к классическим машинам, поэтому владельцу не придется «переучиваться». Главное — найти место для зарядки по ночам. Производитель рекомендует подключать автомобиль к электричеству каждую ночь независимо от пробега. Литий-ионные батареи, напомним, не обладают эффектом памяти. Можно настроить утреннее время отбытия, и машина подготовится к старту, прогрев салон и аккумулятор. Зимой очень актуально!

Гарантия на батарею составляет 8 лет или 160 тыс. км пробега. За это время потеря емкости, по информации завода, составит не более 30%.

Новинка не произвела никакой революции и просто стала очередной моделью в линейке британского премиум-производителя. Если не считать слегка смещенный вперед салон и, как следствие, нетипичный для Jaguar силуэт кузова, то I-Pace вообще не выделяется на дороге. Многие наверняка воспримут этот автомобиль просто как очередной кроссовер Jaguar. Тем более за новинками этого бренда мало кто следит из «простых» людей.

Но если брать именно сегмент электрокаров, то данную модель можно назвать наиболее приспособленной для белорусских реалий. Во-первых, это уже полноценная машина, которую можно эксплуатировать каждый день. Во-вторых, наличие официального сервисного центра в своей стране — важный фактор, когда вы платите под сотню тысяч долларов по курсу за некое электронное устройство. В общем, делаем ставку, что минимум пять «ай-пейсов» будет продано в Беларуси до конца года. В России, кстати, уже сейчас заказано 50 штук. Будущее потихоньку наступает.

Выражаем благодарность автоцентру «Атлант-М Британия» за организацию поездки в Москву.

Двигатель электрический для электромобиля, прошлое, настоящее и будущее

Где применяется электрический автомобильный двигатель

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.

Источник Источник Источник Источник http://ecoconceptcars.ru/2011/01/blog-post_11.html
http://auto.onliner.by/2019/01/22/jaguar-132
Источник http://znayauto.ru/dvigatel/dvigatel-elektricheskiy-dlya-elektromobilya-proshloe-nastoyashee-i-budushee.html