Электромобили 101: как работают электромобили, различия в технологиях и многое другое


Когда вы в последний раз задумывались о том, как на самом деле работают электромобили? Мы, супер-фанаты автомобильного бизнеса, по большей части выработали разумное понимание того, как работают силовые агрегаты внутреннего сгорания. Большинство из нас может визуализировать, как топливо и воздух входят в камеру сгорания, взрываются, толкают поршень вниз и вращают коленчатый вал, который в конечном итоге поворачивает колеса. Обычно мы понимаем разницу между рядными, плоскими, V-образными и, возможно, роторными двигателями внутреннего сгорания Ванкеля.

Такие концепции машиностроения сравнительно легко понять. Но, вероятно, справедливо поспорить, что только меньшинство людей, читающих это, может объяснить на салфетке для бара, как именно невидимые электроны вращают колеса автомобиля или чем двигатель с постоянными магнитами отличается от двигателя индукционного переменного тока. Электротехника может показаться автомобильным фанатикам черной магией и колдовством, так что пришло время развенчать этот смелый новый мир электромобильности.

Как работают электромобили: двигатели

Это связано с магнетизмом и естественным взаимодействием между электрическими полями и магнитными полями. Когда электрическая цепь замыкается, позволяя электронам двигаться по проводу, эти движущиеся электроны создают электромагнитное поле с северным и южным полюсами. Когда это происходит в присутствии другого магнитного поля — либо от другой партии ускоряющихся электронов, либо от гигантского подковообразного магнита ACME Wile E. Coyote, эти противоположные полюса притягиваются, и подобные полюса отталкиваются друг от друга.

Электродвигатели работают, устанавливая один набор магнитов или электромагнитов на вал, а другой — на корпус, окружающий этот вал. Периодически меняя полярность (меняя местами северный и южный полюса) одного набора электромагнитов, двигатель усиливает эти притягивающие и отталкивающие силы для вращения вала, тем самым преобразуя электричество в крутящий момент и, в конечном итоге, поворачивая колеса. И наоборот, как и в случае рекуперативного торможения, эти магнитные / электромагнитные силы могут преобразовывать движение обратно в электричество.

Как работают электромобили: переменный или постоянный ток?

Электроэнергия, подаваемая в ваш дом, поступает в виде переменного тока (AC), так называемого, потому что полярность север / юг или плюс / минус питания меняется (чередуется) 60 раз в секунду. (То есть в Соединенных Штатах и ​​других странах, работающих при напряжении 110 вольт; страны со стандартом 220 вольт обычно используют переменный ток 50 Гц.) Постоянный ток (DC) — это то, что входит и выходит из полюсов + и — каждую батарею. Как отмечалось выше, двигателям для вращения требуется переменный ток. Без этого электромагнитная сила просто соединила бы их северный и южный полюса вместе. Это цикл постоянного переключения между севером и югом, который заставляет мотор вращаться.

Современные электромобили предназначены для управления бортовой энергией как переменного, так и постоянного тока. Аккумулятор накапливает и распределяет постоянный ток, но, опять же, двигателю нужен переменный ток. При подзарядке аккумулятора энергия поступает в бортовое зарядное устройство в виде переменного тока во время зарядки Уровня 1 и Уровня 2 и в виде постоянного тока высокого напряжения на Уровне 3 «быстрых зарядных устройств». Сложная силовая электроника (которую мы не будем пытаться здесь объяснять) обрабатывает многочисленные встроенные преобразования переменного / постоянного тока, повышая и понижая напряжение от 100 до 800 вольт зарядной мощности до напряжения системы батареи / двигателя от 350-800 вольт для многих освещение автомобиля, информационно-развлекательная система и функции шасси, для которых требуется электричество 12–48 В постоянного тока.

Как работают электромобили: какие типы двигателей?

Двигатель постоянного тока (матовый): Да, мы только что сказали, что переменный ток заставляет двигатель вращаться, и эти старые двигатели, которые приводили в действие первые электромобили 1900-х годов, ничем не отличаются. Постоянный ток от батареи подается к обмоткам ротора через подпружиненные «щетки» из углерода или свинца, которые приводят в действие вращающиеся контакты, подключенные к обмоткам проводов. Каждые несколько градусов вращения щетки активируют новый набор контактов; это постоянно меняет полярность электромагнита на роторе по мере вращения вала двигателя. (Это кольцо контактов известно как коммутатор).

Корпус, окружающий электромагнитные обмотки ротора, обычно имеет постоянные магниты. («Последовательный двигатель постоянного тока» или так называемый «универсальный двигатель» может использовать электромагнитный статор.) Преимущества заключаются в низкой начальной стоимости, высокой надежности и простоте управления двигателем. Изменение напряжения регулирует скорость двигателя, а изменение тока регулирует его крутящий момент. К недостаткам можно отнести меньший срок службы и стоимость обслуживания щеток и контактов. Сегодня этот двигатель редко используется на транспорте, за исключением некоторых индийских железнодорожных локомотивов.

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC): Щетки и их обслуживание устраняются путем перемещения постоянных магнитов к ротору, размещения электромагнитов на статоре (корпусе) и использования внешнего контроллера двигателя для попеременного переключения различных обмоток возбуждения с плюса на минус, тем самым создавая вращающееся магнитное поле. .

Преимущества — долгий срок службы, низкие эксплуатационные расходы и высокая эффективность. Недостатки — более высокая начальная стоимость и более сложные регуляторы скорости двигателя, которые обычно требуют трех датчиков Холла для правильной фазировки тока обмотки статора. Такое переключение обмоток статора может привести к «пульсации крутящего момента» — периодическому увеличению и уменьшению передаваемого крутящего момента. Этот тип двигателя популярен для небольших транспортных средств, таких как электрические велосипеды и скутеры, и используется в некоторых вспомогательных автомобильных приложениях, таких как электрический усилитель рулевого управления.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM): Физически двигатели BLDC и PMSM выглядят почти одинаково. Оба имеют постоянные магниты на роторе и обмотки возбуждения в статоре. Ключевое отличие состоит в том, что вместо использования постоянного тока и периодического включения и выключения различных обмоток для вращения постоянных магнитов, PMSM работает на непрерывном синусоидальном переменном токе. Это означает, что в нем отсутствует пульсация крутящего момента, и для определения скорости и положения ротора требуется только один датчик на эффекте Холла, поэтому он более эффективен и тише.

Слово «синхронный» означает, что ротор вращается с той же скоростью, что и магнитное поле в обмотках. Его большие преимущества — удельная мощность и высокий пусковой момент. Основным недостатком любого двигателя с вращающимися постоянными магнитами является то, что он создает «обратную электродвижущую силу» (ЭДС), когда он не работает на скорости, что вызывает сопротивление и тепло, которые могут размагнитить двигатель. Этот тип двигателя также используется в усилителях рулевого управления и тормозных системах, но он стал предпочтительной конструкцией двигателя в большинстве современных аккумуляторных электрических и гибридных транспортных средств.

Обратите внимание, что большинство двигателей с постоянными магнитами всех типов ориентируют свою ось север-юг перпендикулярно выходному валу. Это создает «радиальный (магнитный) поток». Новый класс двигателей с «осевым потоком» ориентирует оси NS магнитов параллельно валу, обычно на парах дисков, между которыми расположены неподвижные обмотки статора. Компактная ориентация аксиального потока с высоким крутящим моментом этих так называемых «двигателей-блинов» может быть применена к двигателям типа BLDC или PMSM.

Индукция переменного тока: В этом двигателе мы отбрасываем постоянные магниты на роторе (и их все более редкие редкоземельные материалы) и поддерживаем переменный ток, протекающий через обмотки статора, как в двигателе PMSM выше.

Вместо магнитов стоит концепция, запатентованная Никола Тесла в 1888 году: поскольку переменный ток течет через различные обмотки статора, обмотки создают вращающееся поле магнитного потока. Когда эти магнитные линии проходят через перпендикулярные обмотки ротора, они индуцируют электрический ток. Затем это создает другую магнитную силу, которая заставляет ротор вращаться. Поскольку эта сила индуцируется только тогда, когда силовые линии магнитного поля Пересекать обмотки ротора, ротор не будет испытывать крутящего момента или силы, если он вращается с той же (синхронной) скоростью, что и вращающееся магнитное поле.

Это означает, что асинхронные двигатели переменного тока по своей природе асинхронны. Скорость ротора регулируется изменением частоты переменного тока. При небольших нагрузках инвертор, управляющий двигателем, может снизить напряжение, чтобы уменьшить магнитные потери и повысить эффективность. Отключение асинхронного двигателя во время крейсерского движения, когда в этом нет необходимости, устраняет сопротивление, создаваемое двигателем с постоянными магнитами, в то время как двухмоторные электромобили, использующие двигатели PMSM на обеих осях, всегда должны приводить в действие все двигатели. Пиковая эффективность может быть немного выше для конструкций BLDC или PMSM, но асинхронные двигатели переменного тока часто достигают более высокого среднего КПД. Еще один небольшой компромисс — это немного более низкий пусковой момент, чем у PMSM. GM EV1 середины 1990-х годов и большинство Tesla использовали асинхронные двигатели переменного тока.

Двигатель сопротивления: Думайте о сопротивлении как о магнитном сопротивлении: степени, с которой объект противодействует магнитному потоку. Статор реактивного двигателя имеет несколько полюсов электромагнита — концентрированные обмотки, образующие сильно локализованные северный или южный полюса. В реактивный реактивный двигатель (SRM) ротор изготовлен из магнитомягкого материала, такого как слоистая кремнистая сталь, с множеством выступов, предназначенных для взаимодействия с полюсами статора. Различные полюса электромагнита включаются и выключаются почти так же, как обмотки возбуждения в двигателе с BLDC. Использование неравного количества полюсов статора и ротора гарантирует, что одни полюса выровнены (для минимального сопротивления), а другие находятся прямо между противоположными полюсами (максимальное сопротивление). При переключении полярности статора ротор вращается с асинхронной скоростью.

А синхронный реактивный двигатель (SynRM) не полагается на этот дисбаланс в полюсах ротора и статора. Скорее, двигатели SynRM имеют более распределенную обмотку, питаемую синусоидальным переменным током, как в конструкции PMSM, со скоростью, регулируемой частотно-регулируемым приводом, и ротор сложной формы с пустотами в форме линий магнитного потока для оптимизации сопротивления.

Последняя тенденция заключается в размещении небольших постоянных магнитов (часто более простых ферритовых) в некоторых из этих пустот, чтобы использовать преимущества как магнитного, так и реактивного крутящего момента при минимизации затрат и неэффективности высокой скорости обратной ЭДС (или противоэлектродвижущей силы), которая постоянно страдают магнитные двигатели.

Преимущества включают более низкую стоимость, простоту и высокую эффективность. К недостаткам можно отнести шум и пульсацию крутящего момента (особенно для реактивных реактивных двигателей). Toyota представила внутренний синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами (IPM SynRM) на Prius, а Tesla теперь объединяет один такой двигатель с асинхронным двигателем переменного тока на своих моделях с двумя двигателями. Tesla также использует IPM SynRM в качестве единственного двигателя для своих моделей с задним приводом.

Электродвигатели никогда не могут петь, как малоблочный или плоскопанельный Ferrari. Но, возможно, примерно через десять лет мы будем относиться к трансмиссии Tesla Plaid с такой же любовью, как и к этим двигателям, и каждый автолюбитель сможет подробно описать, какие двигатели он использует.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *