Ключ к знанию

Электродвигатель на автомобиль


Меняем ДВС на электромотор сами — такого тюнинга еще не было! — журнал За рулем

Американские специалисты разработали электромотор в форме обычного ДВС V8. Таким образом, умельцы смогут сами переделать свой автомобиль в электрокар.

Материалы по теме

Американская компания Electric GT в последние три года приобрела широкую известность. Летом 2016 года калифорнийцы представили Ferrari 308, переделанный в электрокар. Спорткар получил мощность 246 кВт/335 л.с., три электродвигателя и батарею на 46 киловатт*часов, и это помимо спортивной подвески, современных тормозов и нового дизайна интерьера. С 0 до 96,6 км/ч электроспорткар разгоняется за 5 секунд, а его максимальная скорость составляет 290 км/ч, максимальный пробег на одной зарядке — 209 км. После этого в компании электрифицировали Fiat 124 Spider и взялись за Toyota Land Cruiser серий FJ40 и FJ60.

Теперь у Electric GT возникла идея сделать электродвигатель и его периферию похожими на двигатель внутреннего сгорания, чтобы он занял место полноценного V-образного мотора с восемью или более цилиндрами. Американцы обещают, что электрифицировать автомобиль по силам «среднему механику» или умелому автолюбителю, и эту электроустановку легко приспособить для многих моделей автомобилей. Например, классических Ford Mustang и Bronco.

Электрический V-образный двигатель, который печатают на 3D-принтере, соответствует практически всем техническим требованиям к двигателю, контроллерам, зарядному устройству, датчикам, реле и компьютерным системам. Пока отсутствуют монтажные кронштейны для различных моделей, но некоторые уже находятся в разработке у Electric GT, а наиболее редкие компания обязуется сделать под заказ. По словам производителя, двигатель «предварительно спроектирован, предварительно изготовлен и предварительно испытан».

Однако монтаж электродвигателя и соединение его с коробкой передач — задача самого клиента, на нем также лежит ответственность за подбор аккумулятора. Впрочем, Electric GT прилагает подробную пошаговую инструкцию. Если кратко, то после установки и сопряжения мотора с коробкой следует развести жгуты проводов и подсоединить водяную помпу и радиатор. После чего все должно заработать.

Кстати, Electric GT рекомендует подключить двигатель именно к механической коробке передач и уже предлагает переходники для этой цели. Конечно, выбирая коробку, следует убедиться, что она рассчитана на высокий крутящий момент электропривода. Агрегатировать с автоматом в компании не советуют, это гораздо сложнее и потребует большей переделки.

Фото: auto-motor-und-sport.de

www.zr.ru

как электрокары на нем работают

Тяговый электродвигатель для электромобиля Tesla Model S

Неотвратимым будущим автомобилестроения, хотим мы того или нет, являются электрические автомобили. Производители авто во всем мире вкладывают огромные средства в их разработку, желая снизить концентрацию вредных веществ выбрасываемых автомобилями традиционными, сделать поездки безопасными и комфортными, а также экономичными. Работа по их созданию проводится в двух направлениях – создание   новых моделей и  реконструкция серийных, которая более предпочтительна, поскольку  менее затратная. Электромобили, по сравнению с традиционными, более надежны, поскольку более просты по конструкции, т.е. отличаются минимумом движущихся частей.

Крупнейшими рынками электрических автомобилей являются сегодня:  США и Норвегия, Япония и Германия, Китай и Франция, Великобритания и др. Наша страна пока от производства и использования новых средств передвижения находится в стороне, исключая энтузиастов, разработавших Lada Ellada. Но, это случай пока единичный, поэтому он не в счет, тем более, что собрано авто на импортных комплектующих.

Понятие «электрический автомобиль» означает средство передвижения, приводимое в движение несколькими (или одним) электродвигателями. Теоретически питание мотора может быть от аккумулятора, топливных элементов или солнечных батарей. Тем не менее, большее распространение получил вариант первый.  Батарея, питающая двигатель требует зарядки, осуществлять которую можно при помощи внешних источников, рекуперации или генератора, установленного на борту автомобиля.  Электродвигатель, являющийся основным элементом электромобиля, питается, как правило, от литий — ионной батареи. Он же, в режиме рекуперации, играет роль генератора, заряжающего батарею.

Назначение тягового электродвигателя

Электродвигатель тяговый (ТЭД) предназначен для приведения в движение транспортного средства, т.е. он преобразует в механическую, энергию электрическую. Их классифицируют по способу питания, роду тока, конструктивному исполнению, типу привода колесных пар. В большинстве экологичных машин: гибридных авто, серийных электромобилях, авто на топливных элементах, которые в наши дни приобретают завидную популярность, они являются основной движущей силой.

В качестве двигателя используют в них моторы тяговые постоянного тока, которые работают в  двух режимах – двигательном и генераторном.

Видео: Как устроен двигатель электромобиля Tesla Model S

Принцип работы

Принцип работы электромобиля Golf blue-e-motion с тяговым электродвигателем

В основе их работы лежит принцип электромагнитной индукции, т.е. возникновение в замкнутом контуре электродвижущей силы при изменении магнитного потока. От традиционной машины электромеханической ТЭД отличается  большей мощностью, более компактными размерами, а кроме этого, у него более высокий КПД.

По способу питания моторы делятся на двигатели постоянного и переменного тока. По числу фаз – на:

  • однофазные (с одной обмоткой, подключаемой к сети однофазной переменного тока),
  • двухфазные (две обмотки, расположенные под углом девяносто градусов),
  • трехфазные (три обмотки с магнитными полями через 120 градусов).

По исполнению конструктивному двигатели могут быть: коллекторными, преимущественно работающие на постоянном токе (универсальные современные  могут также работать и на токе переменном), бесколлекторными, синхронными, асинхронными. Наконец, по способу возбуждения они делятся на: двигатели с последовательным, параллельным, последовательно-параллельным возбуждением и от постоянных магнитов.

Основные характеристики тягового электродвигателя электрического автомобиля

В современных авто электродвигатель может быть от переменного или постоянного тока. Основной его задачей является передача на движитель авто крутящего момента. Основными характеристиками ТЭД помимо максимального крутящего момента и мощности, являются: частота вращения, ток и напряжение.

В автомобилях чаще используют коллекторные двигатели (один из них благодаря способности вращаться в обратную сторону, может работать как генератор). Но, в отдельных моделях устанавливают электрические моторы и других типов – магнитоэлектрические моторы, подразделяющиеся на двигатели переменного и постоянного тока. Тяговые двигатели электрические, установленные в электромобилях, от других электромоторов не отличаются по конструкции.

Мотор-колесо

Если вначале использовали один тяговый электродвигатель для электромобиля, редуктор которого соединен с трансмиссией, то  сегодня все чаще обращаются к мотор-колесу. Суть концепции состоит в том, что компьютерная программа управляет при помощи  отдельных моторов каждым из колес.

Главным преимуществом является  отсутствие трансмиссии, из-за которой силовая установка теряет значительную часть энергии. Помимо этого удается ликвидировать тормозную гидравлическую систему, функцию которой берут на себя электромоторы, а также отдельные механизмы ESP и ABS.

motocarrello.ru

Двигатели для электромобилей: производители, устройство

Исчерпание углеводородного топлива, ухудшение экологической обстановки и ряд других причин рано или поздно заставят производителей разработать модели электромобилей, которые станут доступны для широких слоев населения. А пока остается только ждать или собственноручно разрабатывать варианты экологически чистой техники.

Если же вы все-таки предпочитаете самостоятельно искать решения, а не дожидаться их со стороны, то вам понадобятся знания о том, какие двигатели для электромобиля уже изобрели, чем они отличаются и какой из них наиболее перспективный.

Тяговый двигатель

Если вы решите поставить обыкновенный электромотор под капот своего автомобиля, то, скорее всего, из этого ничего не выйдет. А все потому, что вам необходим тяговый электрический двигатель (ТЭД). От обычных электромоторов он отличается большей мощностью, способностью выдавать больший крутящий момент, небольшими габаритами и малой массой.

Для питания тягового электродвигателя используются батареи. Они могут подзаряжаться от внешних источников («от розетки»), от солнечных батарей, от генератора, установленного в авто, или в режиме рекуперации (самостоятельное восполнение заряда).

Двигатели для электромобилей чаще всего работают от литий-ионных батарей. ТЭД обычно функционирует в двух режимах – двигательном и генераторном. В последнем случае он восполняет потраченный запас электроэнергии при переходе на нейтральную скорость.

Принцип работы

Стандартный электродвигатель состоит из двух элементов – статора и ротора. Первый компонент является неподвижным, имеет несколько катушек, а второй совершает вращательные движения и передает усилие на вал. На катушки статора с определенной периодичностью подается переменный электрический ток, что вызывает появление магнитного поля, которое начинает вращать ротор.

Чем чаще катушки «включаются-выключаются», тем быстрее вращается вал. В двигатели для электромобилей могут устанавливать два вида ротора:
  • короткозамкнутый, на котором возникает магнитное поле, противоположное полю статора, за счет чего и происходит вращение;
  • фазный – используется для уменьшения тока запуска и контроля скорости вращения вала, является наиболее распространенным.

Кроме того, в зависимости от скорости вращения магнитного поля и ротора двигатели могут быть асинхронными и синхронными. Тот или иной тип необходимо выбирать из имеющихся средств и поставленных задач.

Синхронный двигатель

Синхронный двигатель – это ТЭД, у которого скорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения магнитного поля. Такие двигатели для электромобилей целесообразно использовать только в тех случаях, когда имеется источник повышенной мощности – от 100 кВт.

Одной из разновидностей синхронных электромоторов является шаговый двигатель. Обмотка статора такой установки разбита на несколько секций. В определенный момент ток подается на определенную секцию, возникает магнитное поле, которое вращает ротор на определенный угол. Затем ток подается на следующую секцию, и процесс повторяется, вал начинает вращаться.

Асинхронный электромотор

В асинхронном двигателе скорость вращения магнитного поля не совпадает со скоростью вращения ротора. Плюсом таких устройств является ремонтопригодность – запчасти для электромобилей, оснащенных этими установками, найти очень просто. К другим преимуществам относятся:

  1. Простая конструкция.
  2. Простота обслуживания и эксплуатации.
  3. Низкая стоимость.
  4. Высокая надежность.

В зависимости от наличия щеточно-коллекторного узла двигатели могут быть коллекторными и безколлекторными. Коллектор – устройство, служащее для преобразования переменного тока в постоянный. Щетки служат для передачи электроэнергии на ротор.

Безколлекторные двигатели для электромобилей отличаются меньшей массой, компактными габаритами и более высоким КПД. Они реже перегреваются и потребляют меньше электричества. Единственный минус такого двигателя – высокая цена на электронный блок, который выполняет функции коллектора. Кроме того, найти запчасти для электромобилей, оснащенных безколлекторным двигателем, сложнее.

Производители электродвигателей

Большинство самодельных электромобилей сконструировано с применением коллекторного двигателя. Это объясняется доступностью, низкой ценой и простым обслуживанием.

Видным производителем линейки данных моторов является немецкая компания Perm-Motor. Ее продукция способна к рекуперативному торможению в генераторном режиме. Она активно используется для оснащения скутеров, моторных лодок, легковых автомобилей, электроподъёмных устройств. Если двигатели Perm-Motor устанавливали в каждый электромобиль, цена их была бы значительно ниже. Сейчас они стоят в пределах 5-7 тыс. евро.

Популярным производителем является компания Etek, которая занимается производством безщеточных и щеточных коллекторных двигателей. Как правило, это трехфазные моторы, работающие на постоянных магнитах. Основные преимущества установок:
  • точность управления;
  • легкость организации рекуперации;
  • высокая надежность за счет простой конструкции.

Завершает список производителей завод из США Advanced DC Motors, выпускающий коллекторные электромоторы. Некоторые модели обладают исключительной особенностью – они имеют второй шпиндель, что можно использовать для подключения на автомобиль-электромобиль дополнительного электрооборудования.

Какой двигатель выбрать

Чтобы покупка вас не разочаровала, надо сравнить характеристики приобретаемой модели с предъявляемыми требованиями к автомобилю. При выборе электродвигателя в первую очередь ориентируются на его тип:

  • Синхронные установки имеют сложное устройство и дорогостоящи, но обладают перегрузочной способностью, ими легче управлять, им не страшны перепады напряжения, используются при высоких нагрузках. Они устанавливаются на электромобиль Mercedes.
  • Асинхронные модели отличаются низкой стоимостью, простым устройством. Они просты в обслуживании и эксплуатации, однако выделяемая ими мощность намного меньше, чем тот же показатель синхронной установки.

На электромобиль цена будет значительно ниже, если электромотор будет работать в паре с двигателем внутреннего сгорания. На рынке такие комбинированные установки обладают большей популярностью, так как их стоимость составляет около 4-4,5 тыс. евро.

fb.ru

главное для хорошего электромобиля – облегчённый мотор / Habr


Дизайн автора представляет новое слово в разработке электромоторов

В первое десятилетие XX века 38% всех машин в США работали на электричестве – и этот процент упал почти до нуля с ростом доминирования ДВС в 1920-х. Сегодняшнее стремление к сохранению энергии и уменьшению вредных выбросов вдохнуло в электромобили новую жизнь, но их высокая стоимость и ограниченный пробег сдерживают продажи.

Большая часть попыток решения этих проблем связана с улучшением батареек. Конечно же, улучшение систем хранения электроэнергии, будь то батарейки или топливные ячейки, должно оставаться частью любой стратегии улучшения электромобилей, но потенциал для улучшения есть и в другом фундаментальном компоненте машин: в моторе. Последние четыре года мы работали над новой концепцией тягового электродвигателя, используемого в электромобилях и грузовиках. Наша последняя разработка сильно улучшает эффективность по сравнению с обычными моделями – достаточно для того, чтобы сделать электромобили более практичными и доступными.

В прошлом году мы доказали работоспособность нашего мотора во всесторонних лабораторных тестах, и хотя до размещения его в автомобиле ещё далеко, у нас есть все основания полагать, что там он покажет себя так же хорошо. Наш мотор сможет увеличить пробег современных электромобилей, даже если мы не достигнем никакого прогресса в технологии батарей.

Чтобы понять сложность нашей задачи, необходимо вспомнить основы схемы электромотора (ЭМ). По сравнению с ДВС ЭМ проще, у них всего несколько критичных компонентов. Механика требует наличия корпуса. Он называется статором, поскольку не двигается. Необходим ротор, вращающий вал и создающий вращающий момент. Чтобы мотор работал, статор и ротор должны взаимодействовать при помощи магнетизма, превращая электрическую энергию в механическую.

Концепции моторов отличаются именно в области магнитных интерфейсов. В коллекторных моторах постоянного тока ток течёт через щётки, скользящие по коллекторному узлу. Ток идёт через коллектор и передаёт энергию намотке на роторе. Намотка отталкивается постоянными магнитами или электромагнитами статора. Щётки, скользя по коллектору, периодически меняют направление тока, и магниты ротора и статора отталкивают друг друга снова и снова, в результате чего ротор вращается. Иначе говоря, вращательное движение обеспечивается изменяющимся магнитным полем, производимым коллектором, соединяющим катушки с источником тока и циклически меняющим направление тока при поворотах ротора. Однако эта технология ограничивает вращающий момент и страдает от изнашивания; она уже не используется в тяговых ЭМ.

В современных электромобилях используется переменный ток от инвертера. Здесь динамическое вращающееся магнитное поле создаётся в статоре, а не в роторе. Это позволяет упростить схему ротора, который обычно более сложен, чем статор, что облегчает все задачи, связанные с разработкой ЭМ.

Моторов на переменном токе бывает два вида: асинхронные и синхронные. Мы сфокусируемся на синхронных, поскольку обычно они лучше и эффективнее работают.


Передовая система охлаждения проводит жидкость непосредственно через катушку (слева), а не через кожух мотора (справа)

Синхронные моторы тоже бывают двух видов. Более популярный – синхронная машина с постоянными магнитами [permanent-magnet synchronous machine, PMSM], использующая постоянные магниты, встроенные в ротор. Чтобы заставить его вращаться, в статоре организуется вращающееся магнитное поле. Это поле получается благодаря обмотке статора, соединённой с источником переменного тока. Во время работы полюса постоянных магнитов ротора захватываются вращающимся магнитным полем статора, что и заставляет ротор вращаться.

Такая схема, использующаяся в Chevrolet Volt и Bolt, в BMW i3, в Nissan Leaf и множестве других машин, может в пике достигать эффективности в 97%. Постоянные магниты обычно делают из редкоземельных элементов; яркие примеры – очень мощные неодимовые магниты, разработанные в 1982 году General Motors и Sumitomo.

Явнополюсные синхронные электродвигатели [Salient-pole synchronous machines, SPSM)] используют внутри ротора не постоянные, а электромагниты. Полюсы – это катушки в виде труб, направленные наружу, как спицы колеса. Эти электромагниты в роторе питаются источником постоянного тока, соединённым с ними через контактные кольца. Контактные кольца, в отличие от коллектора, не меняют направление тока. Северный и южный полюса ротора статичны, и щётки не изнашиваются так быстро. Как и в случае с PMSM, вращение ротора происходит из-за вращения магнитного поля статора.

Из-за необходимости питать электромагниты ротора через контактные кольца, у этих моторов обычно чуть ниже пиковая эффективность – в диапазоне от 94 до 96%. Преимущество над PMSM заключается в настраиваемости поля ротора, позволяющая ротору более эффективно вырабатывать крутящий момент на больших скоростях. Итоговая эффективность при использовании для разгона машины возрастает. Единственный производитель таких моторов в серийных авто – это Renault с его моделями Zoe, Fluence и Kangoo.

Электромобили необходимо строить с не только эффективными, но и лёгкими компонентами. Самый очевидный способ улучшить соотношение мощности к весу – уменьшить размер мотора. Однако такая машина выдаст меньший крутящий момент для одной и той же скорости вращения. Следовательно, чтобы получить больше энергии необходимо вращать мотор на более высоких скоростях. Сегодняшние электромобили работают на 12000 об/мин; в следующем поколении появятся моторы, работающие при 20000 об/мин; уже идут работы над моторами, работающие на скорости 30000 об/мин. Проблема в том, что чем выше скорость, тем сложнее получается редуктор – скорость вращения мотора слишком сильно превышает скорость вращения колёс. Из сложности редуктора следуют большие энергопотери.


Идеальный шторм: в авторском варианте (вверху) сила Лоренца и смещённая индуктивность (серый) суммируются в максимальное общее усилие (синее) равное 2. В обычном моторе (внизу) сумма двух сил – силы Лоренца и магнитное сопротивление (серый) дают общее усилие (синий), достигающее пика лишь в 1,76, при угле выбега ротора в 0,94 рад. Разница в этом примере составляет 14%

Второй подход к улучшению соотношения мощности к весу – увеличение силы магнитного поля, что увеличивает крутящий момент. В этом состоит смысл добавления железного сердечника к катушке – хотя это увеличивает вес, но одновременно усиливает плотность магнитного потока на два порядка. Следовательно, практически все современные ЭМ используют железные сердечники в статоре и роторе.

Однако, есть и минус. Когда сила поля увеличивается до определённого предела, железо теряет возможность усиления плотности потока. На это насыщение можно немного повлиять, добавляя присадки и изменяя процесс изготовления железа, но и самые эффективные материалы ограничены 1,5 В*с/м2 (вольт в секунду на квадратный метр, или тесла, Тл). Только очень дорогие и редкие вакуумные железно-кобальтовые материалы могут достигать плотностей магнитного потока 2 Тл или более.

И, наконец, третий стандартный путь увеличения крутящего момента – усиление поля через усиление тока, проходящего через катушки. Опять-таки, тут есть свои ограничения. Увеличьте ток, и увеличатся потери на сопротивление, уменьшится эффективность и появится тепло, способное повредить мотор. Для проводов можно использовать металл, лучше проводящий ток, чем медь. Серебряные провода также бывают, но их применение в таком устройстве было бы абсурдно затратным.

Единственный практический способ увеличить ток – контролировать тепло. Передовые охлаждающие решения проводят жидкость прямо рядом с катушками, а не дальше от них, снаружи статора.

Все эти шаги помогают улучшать соотношение веса к мощности. В гоночных электромобилях, где стоимость не имеет значения, моторы могут достигать 0,15 кг на киловатт, что сравнимо с лучшими ДВС из Формулы 1.

Мы со студентами разрабатывали и создавали такие высокопроизводительные электромоторы для автомобиля, участвовавшего в студенческой Формуле три года назад. Мы создавали моторы в нашей лаборатории в Электротехническом институте Технологического института Карлсруэ. Каждый год команда создавала новую машину с улучшенным мотором, редуктором и силовой электроникой. В машине четыре мотора, по одному на колесо. Каждый имеет всего 8 см в диаметре, 12 см в длину и 4,1 кг веса, и производит 30 кВт на постоянной основе и 50 кВт в пике. В 2016 году наша команда выиграла чемпионат мира.

Так что это и правда можно сделать, если стоимость вас не волнует. Главный вопрос – можно ли использовать такие улучшающие эффективность технологии в массовом производстве, в машине, которую могли бы купить вы? Мы создали такой мотор, так что ответ на вопрос – положительный.

Мы начали с простой идеи. Электромоторы хорошо работают как в роли моторов, так и в роли генераторов, хотя для электромобилей такая симметрия не особенно нужна. Для автомобиля нужен мотор, работающий лучше в роли мотора, чем в роли генератора – последняя используется только для заряда батарей при рекуперативном торможении.

Чтобы понять эту идею, рассмотрим работу мотора PMSM. В таком моторе движение создают две силы. Во-первых, сила, возникающая благодаря постоянным магнитам в роторе. Когда ток идёт через медные катушки статора, они создают магнитное поле. Со временем ток переходит из одной катушки в другую и заставляет магнитное поле вращаться. Вращающееся поле статора притягивает постоянные магниты ротора, и тот начинает двигаться. Этот принцип основан на силе Лоренца, влияющей на движение заряженной частицы в магнитном поле.

Но современные ЭМ получают часть энергии от магнитного сопротивления – силы, притягивающей блок железа к магниту. Вращающееся поле статора притягивает как постоянные магниты, так и железо ротора. Сила Лоренца и магнитное сопротивление работают бок о бок, и – в зависимости от схемы мотора – примерно равны друг другу. Обе силы примерно равны нулю, когда магнитные поля ротора и статора выравниваются. С увеличением угла между ними мотор вырабатывает механическую энергию.

В синхронном моторе поля статора и ротора работают совместно, без задержек, существующих в асинхронных машинах. Поле статора находится под определённым углом к полю ротора, который можно регулировать во время работы для достижения наибольшей эффективности. Оптимальный угол для создания вращательного момента при заданном токе можно вычислять заранее. Затем он подстраивается, по мере изменения тока, к силовой электронной системе, дающей переменный ток на намотку статора.

Но вот, в чём проблема: при движении поля статора по отношению к положению ротора сила Лоренца и магнитное сопротивление то увеличиваются, то уменьшаются. Сила Лоренца увеличивается по синусоиде, достигающей пика на 90 градусов от точки отсчёта (от точки, в которой поля статора и ротора выровнены). Сила манитного сопротивления циклично меняется в два раза быстрее, поэтому достигает пика на 45 градусах.

Поскольку силы достигают максимума в разных точках, максимальная сила мотора меньше, чем сумма его частей. Допустим, у какого-то определённого мотора в определённый момент работы оказывается, что оптимальным углом для максимума суммарной силы будет 54 градуса. В этом случае этот пик будет на 14% меньше, чем суммарные пики двух сил. Это наилучший из возможных компромиссов данной схемы.

Если бы мы могли переделать этот мотор так, чтобы две силы достигали максимума в одной точке цикла, мощность мотора возросла бы на 14% совершенно бесплатно. Вы бы потеряли только эффективность работы в роли генератора. Но мы, как будет показано далее, нашли способ восстановить и эту способность, чтобы мотор лучше восстанавливал энергию при торможении.

Разработка идеально выравнивающего поля мотора – дело непростое. Проблема состоит в комбинации PMSM и SPSM в новую гибридную схему. В результате получается гибридный синхронный мотор со смещённой осью магнитного сопротивления. По сути, этот мотор использует как провода, так и постоянные магниты, для создания магнитного поля в роторе.

Другие пытались работать в этом направлении, а затем отбросили эту идею – но они хотели использовать постоянные магниты только для усиления электромагнитного поля. Наша инновация состоит в использовании магнитов только для придания точной формы полю, чтобы оптимально выровнять две силы – силу Лоренца и силу магнитного сопротивления.

Основная проблема в разработке состояла в поиске такой конструкции ротора, которая могла бы менять форму поля, оставаясь при этом достаточно прочной для того, чтобы вращаться на высоких скоростях, не ломаясь при этом. В центре нашей схемы – многослойная структура ротора, несущего медную намотку на железном сердечнике. Мы приклеили постоянные магниты к полюсам сердечника; дополнительные шипы препятствуют их вылету. Чтобы всё удерживалось на месте, мы применили крепкие и лёгкие титановые штифты, пропущенные через электромагнитные полюса ротора, притянутые гайками к кольцам из нержавеющей стали.

Мы также нашли способ обойти недостаток первоначального мотора, уменьшение крутящего момента во время работы генератором. Теперь мы можем менять направление поля в роторе так, что генерация во время рекуперативного торможения работает так же эффективно, как режим мотора.

Этого мы добились, меняя направление тока в намотке ротора во время работы в режиме генератора. Работает это следующим образом. Представьте себе первоначальный вид ротора. Если идти по его периметру, вы обнаружите определённую последовательность северных и южных полюсов электромагнитных (Е) и постоянных магнитных (P) источников: NE, NP, SE, SP. Эта последовательность повторяется столько раз, сколько в моторе пар полюсов. Меняя направление тока в обмотке, мы меняем ориентацию электромагнитных полюсов, и только их, в результате последовательность превращается в SE, NP, NE, SP.

Изучив две этих последовательности, вы увидите, что вторая похожа на первую, идущую задом наперёд. Это значит, что ротор можно использовать в режиме мотора (первая последовательность) или в режиме генератора (вторая), когда ток в роторе меняет направление на противоположное. Таким образом наша машина работает более эффективно, чем обычные моторы, как в роли мотора, так и в роли генератора. На нашем прототипе изменение направления тока занимает не более 70 мс, что достаточно быстро для автомобилей.

В прошлом году мы построили прототип мотора на верстаке и подвергли его тщательным проверкам. Результаты ясны: при той же самой силовой электронике, параметрах статора и других ограничениях обычного мотора, машина способна выдавать почти на 6% больше крутящего момента и на 2% больше эффективности в пике. В цикле езды результаты ещё лучше: ей требуется на 4,4% меньше энергии. Это значит, что машина, проезжающая на одной зарядке 100 км, проехала бы с этим мотором 104,4 км. Дополнительные километры достаются нам почти задаром, поскольку в нашей схеме есть всего несколько дополнительных частей, заметно менее дорогих, чем дополнительные батарейки.

Мы связались с несколькими производителями оборудования, и они нашли нашу концепцию интересной, хотя пройдёт ещё много времени до того, как вы увидите один из таких асимметричных моторов в серийном автомобиле. Но появившись, в результате он станет новым стандартом, поскольку извлечение всей возможной пользы из имеющейся у вас энергии стоит в приоритете как для автопроизводителей, так и для всего нашего общества.

habr.com

Современный электродвигатель - Экологические автомобили Экологические автомобили

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…

ecoconceptcars.ru

Проектируем электромобиль: Подключайтесь! — журнал За рулем

Эксперты предрекают: серийные электромобили появятся в России не раньше чем через 10–15 лет. Максим Сачков считает, что это произойдет гораздо раньше. Под его чутким руководством мы начинаем проектировать свой российский электромобиль.

ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ

Кроме того, электромобили дешевле в обслуживании и ремонте. Их конструкция гораздо проще, большинство операций ТО, вроде замены масла, фильтров, свечей зажигания, становятся ненужными.

Власти крупных российских городов давно грозятся учитывать экологический класс автомобиля при расчете транспортного налога. Во многих европейских странах гражданина, купившего электромобиль, государство на пять лет освобождает от дорожных налогов.

Кроме того, госпрограммы поддержки предусматривают существенные скидки при покупке машин с нулевым выхлопом. Например, во Франции это 5000 евро, в Испании 6000, а в Японии — от 25 до 40% стоимости.

Основные приборы на электромобиле, наряду со спидометром, — указатели заряда батареи и мгновенного расхода, данные о рекуперации энергии при разгоне и торможении.

Основные приборы на электромобиле, наряду со спидометром, — указатели заряда батареи и мгновенного расхода, данные о рекуперации энергии при разгоне и торможении.

Основные приборы на электромобиле, наряду со спидометром, — указатели заряда батареи и мгновенного расхода, данные о рекуперации энергии при разгоне и торможении.

Один из главных факторов, сдерживающих распространение электромобилей, — инфраструктура. Точнее, сеть зарядок, которую придется создать быстро и с нуля. Действующие электрические мощности ограничены, потому крупные магазины, гостиницы, офисные комплексы могут позволить себе лишь небольшое количество электроколонок для так называемой быстрой подзарядки. А чтобы удовлетворить всех желающих, понадобится развитая сеть зарядных станций.

Значит, придется строить новые подстанции, тянуть тысячи километров проводов, изыскивать возможности для прокладки коммуникаций. Но хорошую службу сослужат энергетические системы общественного транспорта — в первую очередь, метро. Вот она, уже готовая и развитая сеть! Остается только соединить ее с поверхностью и поставить раздающие энергию автоматы.

А для оптимальной загрузки сети можно ввести выгодные ночные тарифы, чтобы основная часть электромобилей подзаряжалась, когда поезда спят.

Максимальная плотность энергии у нынешних литий-ионных аккумуляторов достигает 150 Вт•ч/кг. Иными словами, батарея емкостью 20 кВт•ч весит вместе со вспомогательными агрегатами (блок управления, система охлаждения и.т. д.) около 200 кг. Через пять лет батареи станут примерно на 30% легче и технологии позволят перешагнуть рубеж 200 Вт•ч/кг.

Максимальная плотность энергии у нынешних литий-ионных аккумуляторов достигает 150 Вт•ч/кг. Иными словами, батарея емкостью 20 кВт•ч весит вместе со вспомогательными агрегатами (блок управления, система охлаждения и.т. д.) около 200 кг. Через пять лет батареи станут примерно на 30% легче и технологии позволят перешагнуть рубеж 200 Вт•ч/кг.

Максимальная плотность энергии у нынешних литий

www.zr.ru

Электромобили: меняем ДВС на электрическую тягу, стоит ли овчинка выделки?

Сегодня никого не удивишь автомобилем, использующего в качестве топлива сжиженный газ, а не традиционные бензин или дизель. Переоборудование машин с ДВС на потребление газа особенно популярным стало в Украине в последние годы. Основной причиной таких трансформаций владельцы авто называют погоню за экономичностью. И это совсем не удивительно, поскольку на данный момент газ дешевле бензина примерно вдвое. Споры о выгодах такого переоборудования идут до сих пор, но если учесть цену на электроэнергию, которая в разы ниже даже природного газа на котором так пытаются сэкономить. Почему сразу же не переоборудовать автомобиль на работу от электрической тяги?

Снимаем все лишнее

Любое горючее топливо сгорает в цилиндрах двигателя по одинаковому принципу. Поэтому установка систем газобаллонного оборудования не является особой проблемой. Принцип работы электродвигателя другой, поэтому для переоборудования требуются более существенные изменения в устройстве автомобиля. Несмотря на сложность, все же - это реально. Прежде всего, нужно демонтировать несколько основных частей, которые электромобилю не понадобятся.

Двигатель внутреннего сгорания. Для работы электромобиля он совершенно не нужен, тем больше занимает довольно много пространства под капотом и значительно увеличивает массу автомобиля. Стоит сразу отметить, что вес является критическим параметром для электромобиля, и поэтому этому пункту уделяется много внимания.

Система охлаждения. Электромотор не выделяет такое количество тепла, как ДВС, поэтому его также нужно демонтировать по той причине, что охлаждать будет просто нечего. С другой стороны, отсутствие привычной печки добавит проблем с комфортом в салоне в холодное время года.

Коробка передач. По этому элементу возможны варианты: иногда ее оставляют, иногда снимают. В некоторых случаях КПП не демонтируют, но устраняют механизм сцепления с коробкой.

Выхлопная труба, как и система забора и очистки воздуха и другое вспомогательное оборудование двигателя внутреннего сгорания, тоже не понадобится.

Устанавливаем необходимое

Начать "преобразование" в электромобиль стоит с подбора электродвигателя, обеспечивающего достаточную скорость движения и ускорения. Необходимая мощность прямо пропорционально зависит от массы кузова. При схеме прямого подключения электропривода к ведущему мосту, чтобы сдвинуть авто с места понадобится мотор мощностью от 15 кВт. Но если в трансмиссии оставить коробку переключения передач и подать крутящий момент к ней через переходную плиту, то для такой схемы может хватить даже двигателя мощностью 5-10 кВт. Причем, если это будет небольшой автомобиль типа «Таврии» или «Матиз», можно развить максимальную скорость до 70-80 км / ч.

Стоит отметить, что максимальная мощность электродвигателя не влияет на расход, а влияет только мощность, используемую в определенный момент времени. Другими словами, если два одинаковых по параметрам автомобиля будут двигаться с одинаковой скоростью от двигателей с мощностями 10 и 20 кВт соответственно, то их аккумуляторные батареи разрядятся на приблизительно одинаковую величину. Это означает, что максимальная мощность двигателя не влияет на расстояние максимального пробега. Поэтому, при подборе электромотора специалисты советуют, по возможности, взять модель хотя бы с небольшим запасом мощности. Это позволит уменьшить риск его перегрева в напряженных режимах и увеличить рабочий ресурс.

Максимальная дальность поездки электромобиля, в первую очередь, определяется емкостью аккумуляторных батарей. Поэтому при их выборе следует учитывать километраж, необходимый водителю для езды в течение дня без подзарядки. На сегодня самыми дешевыми являются свинцовые аккумуляторы, но они вряд ли смогут обеспечить величину пробега более 80-90 км, так как дальнейшее повышение их мощности приведет к такому увеличению собственной массы автомобиля, что вся полезная нагрузка ограничится только одним водителем.

В отличие от свинцовых, соответствующее количество литий-ионных аккумуляторов может обеспечить 200, 300, а в таких электромобилях, как Tesla даже превысить 400 км без подзарядки. К тому же срок их эксплуатации значительно больше - они могут служить до 5-8 лет. Оптимальную емкость аккумуляторов нужно подбирать так, чтобы в конце маршрута они не разряжались полностью, а оставляли некоторый запас емкости. Глубокий разряд литий-ионных батарей приводит к ускорению "старения" и последующего выхода из строя. Главным препятствием увеличения количества ячеек в аккумуляторах такого типа является их высокая стоимость.

По теме: Киевский пенсионер-конструктор создает дешевые электромобили за $4000

Для согласования работы двигателя и батареи электрокара необходим контроллер. Это тоже является одним из главных моментов, поскольку это устройство регулирует величину тока, поступающего в электродвигатель, а также меняет полярность постоянного тока от АКБ к электродвигателю, требующего питания переменным током. Также к контроллеру подключают педаль акселератора, которая является аналогом педали газа в традиционном авто. Она управляет потенциометром, который регулирует величину тока, поступающего в двигатель, таким образом увеличивая мощность, количество оборотов в минуту и, как следствие, скорость движения автомобиля. Контроллер нужно выбирать в зависимости от мощностей электромотора и аккумуляторов.

Зимой эксплуатировать электромобиль значительно сложнее - он становится уязвимым в среде с низкой температурой воздуха. Так как система охлаждения ДВС подвергается демонтажу вместе с привычной «печкой», то нужно позаботиться о подогреве воздуха в салоне. Среди возможных вариантов - электрический обогреватель мощностью от 1,5 кВт, который существенно уменьшит дальность пробега. Альтернативой может стать использование автономного бензинового отопителя, недостатком которого является все та же потребность в топливе.

Но это еще не все: для качественной работы аккумуляторам необходима постоянная температура: в морозы напряжение может «проседать», что напрямую влияет на мощность двигателя и скорость разрядки, а в жару - опасность перегрева. Поэтому необходимо установить систему для контроля за температурой батареи, а также обеспечить ее герметичность и изоляцию контактов, поскольку существует риск короткого замыкания при попадании влаги.

Переоборудовать или купить новый?

Все вышеуказанные проблемы решаются. Большое количество переоборудованных, а также сделанных собственными руками народных умельцев электромобилей уже ездит по дорогам Украины и всего мира. В интернете можно найти много видеороликов, начиная от электрических «Таврий» и «Лад», заканчивая электроверсиями своих моделей от крупнейших автоконцернов - Ford Focus EV, Nissan Leaf, Volkswagen e-Golf, Renault Fluence ZE и др. Но прежде всего, желающим отказаться таким образом от углеводородного топлива нужно определиться: с какой целью? Если основной целью является получение экологически чистого транспорта, то в этом случае - безальтернативное «да». Если же целью ставить экономию средств, то однозначный ответ дать, на сегодняшний день, невозможно.

Людям, которые имеют определенный опыт ремонта техники, вполне по силам приобрести комплектующие и собственноручно переоборудовать свой автомобиль на электропривод. Качество результата и выгода будут зависеть от правильности расчетов и технического исполнения. Однако, уже существует не одно коммерческое предприятие, где можно заказать такую ​​услугу. Позволит ли это сэкономить? Опять же, ответ индивидуален для каждого владельца, поскольку стоимость переоборудования может начинаться от 10 000 долларов для бюджетных автомобилей и переваливать за отметку в 50 000 долларов для суперкаров. А на эту сумму в Соединенных Штатах можно приобрести почти два новых (!) Nissan Leaf. Поэтому возникает вопрос, а не дешевле ли будет купить уже готовый, новый электромобиль?

Тем не менее будущее транспорта за электрической энергией – с этим вряд ли кто-то решится поспорить. Цены на электрокары будут только опускаться, осталось только немного подождать или … Решать Вам.

Источник shooter.ua

Читайте также: Водородный автомобиль Toyota Mirai может проехать без дозаправки 500 км (видео)

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

ecotechnica.com.ua


Смотрите также



© 2009-: Каталог автоинструкторов России.
Карта сайта, XML.