Переменный двигатель

Май 1834, Якоби

Первый вращающийся электродвигатель. Якоби, 1834

Немецкий и русский физик, академик Императорской Санкт-Петербургской Академии Наук, Борис Семенович (Мориц Герман фон) Якоби, изобрел первый в мире электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала. Мощность двигателя составляла около 15 Вт, частота вращения ротора 80-120 оборотов в минуту. До этого изобретения существовали только устройства с возвратно-поступательным или качательным движением якоря.

1836 — 1837, Дэвенпорт

Проводя эксперименты с магнитами, американский кузнец и изобретатель, Томас Дэвенпорт, создает свой первый электромотор в июле 1834 года. В декабре этого же года он впервые продемонстрировал свое изобретение. В 1837 году Дэвенпорт получил первый патент (патент США №132) на электрическую машину.

1839, Якоби

Используя электродвигатель питающийся от 69 гальванических элементов Грове и развивающий 1 лошадиную силу, в 1839 г. Якоби построил лодку способную двигаться с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое практическое применение электродвигателя.

1837 — 1842, Дэвидсон

Шотландский изобретатель, Роберт Дэвидсон, занимался разработкой электродвигателя с 1837 года. Он сделал несколько приводов для токарного станка и моделей транспортного средства. Дэвидсон изобрел первый электрический локомотив.

1856, Сименс

Немецкий инженер, изобретатель, ученый, промышленник, основатель фирмы Siemens, Вернер фон Сименс изобрел электрический генератор с двойным T-образным якорем. Он первый разместил обмотки в пазах.

1861-1864, Максвелл

Британский физик, математик и механик, Джеймс Клерк Максвелл, обобщил знания об электромагнетизме в четырех фундаментальных уравнениях. Вместе с выражением для силы Лоренца уравнения Максвелла образуют полную систему уравнений классической электродинамики.

1871-1873, Грамм

Бельгийский изобретатель, Зеноб Теофил Грамм, устранил недостаток электрических машин с двух-Т-образным якорем Сименса, который заключался в сильных пульсациях вырабатываемого тока и быстром перегреве. Грамм предложил конструкцию генератора с самовозбуждением, который имел кольцевой якорь.

1885, Феррарис

Итальянский физик и инженер, Галилео Феррарис, изобрел первый двухфазный асинхронный электродвигатель. Однако Феррарис думал, что такой двигатель не сможет иметь КПД выше 50%, поэтому он потерял интерес и не продолжал улучшать асинхронный электродвигатель. Считается, что Феррарис первым объяснил явление вращающегося магнитного поля.

1887, Тесла

Американец сербского происхождения, изобретатель, Никола Тесла, работая независимо от Феррариса, изобрел и запатентовал двухфазный асинхронный электродвигатель с явно выраженными полюсами статора (сосредоточенными обмотками). Тесла ошибачно считал что двухфазная система токов оптимальна с экономической точки зрения среди всех многофазных систем.

1889-1891, Доливо-Добровольский

Русский электротехник польского происхождения, Михаил Осипович Доливо-Добровольский, прочитав доклад Феррариса о вращающемся магнитном поле изобрел ротор в виде «беличьей клетки». Дальнейшая работа в этом направлении привела к разработке трехфазной системы переменных токов и трехфазного асинхронного электродвигателя, получившего широкое применение в промышленности и практически не изменившегося до нашего времени.

Широкое внедрение электромеханических устройств в России начинается после Октябрьской революции 1917 г., когда электрификация всей страны стала основой технической политики нового государства. Можно сказать, что XX век стал веком становления и широкого распространения электромеханики.

Выбор между двухфазной и трехфазной системой

Доливо-Добровольский справедливо считал, что увеличение числа фаз в двигателе улучшает распределение намагничивающей силы по окружности статора. Переход к трехфазной системы от двухфазной уже дает большой выигрыш в этом отношении. Дальнейшее увеличение числа фаз нецелесообразно, так как приводит к значительному увеличению расходов металла на провода.

Для Теслы же казалось очевидным, что чем меньше число фаз, тем меньше требуется проводов, и следовательно тем дешевле устройство электропередачи. При этом двухфазная система передачи требовала применения четырех проводов, что представлялось не желательным в сравнении с двух проводными системами постоянного или однофазного переменного токов. Поэтому Тесла предлагал применять трех проводную линию для двухфазной системы, делая один провод общим. Но это не сильно уменьшало количество затрачиваемого на систему металла, так как общий провод должен был быть большего сечения.

Таким образом трехфазная система токов предложенная Доливо-Добровольским была оптимальной для передачи энергии. Она практически сразу нашла широкое применение в промышленности и до наших дней является основной системой передачи электрической энергии во всем мире.

Современные электровелосипеды могут приводиться в движение с помощью двух видов электрических двигателей: традиционного коллекторного двигателя постоянного тока и бесколлекторного (бесщеточного) синхронного электродвигателя постоянного тока (мотор-колесо). Прочитав эту статью, вы приобретете необходимые знания о принципах работы мотор-колеса.

Что же представляет собой мотор-колесо

По сути, мотор – колесо – это электродвигатель, встроенный в колесо. В мотор-колесе не используется дополнительный механизм передачи мощности (трансмиссия) от двигателя к колесу. Оно не имеет трущихся деталей, за исключением подшипников в безредукторном двигателе. Таким образом, двигатель, трансмиссия и колесо представляет собой единое целое, что делает мотор-колесо очень надежным в эксплуатации.

Мотор-колеса могут устанавливаться в переднюю или заднюю вилку велосипеда (имеет разный диаметр оси), заспицованными в обод или незаспицованными, могут быть различной мощности, как правило, чем мощнее, тем более высокое напряжение требуется. Конструктивно они могут быть разделены на 2 типа:

— со встроенным редуктором планетарного типа;

— безредукторные колеса.

Мотор-колесо с редуктором и без редуктора имеет один и тот же принцип действия. В неподвижном статоре создается вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянными магнитами ротора, заставляет его крутиться. Статор изготавливается из пластин электротехнической стали, и похож на многолучевую звезду, на лучах которой намотаны обмотки. В момент прохождения по обмоткам электрического тока, лучи становятся магнитами (электромагнитами), и притягивают к себе постоянные магниты, расположенные на роторе.

Обмоток на статоре может быть много — несколько десятков, это обеспечивает плавность вращения колеса, и достаточную мощность; но все эти обмотки соединяются, в итоге, в три, чередуясь, по окружности, последовательно: 1-2-3-1-2-3-1-2-3… Напротив этих обмоток, на роторе на небольшом расстоянии (с увеличением расстояния сила магнитного поля ослабевает) находятся магниты, изготовленные из редкоземельных элементов. Для непрерывного вращения двигателя последовательно и в строго определенный момент на обмотки подаются импульсы напряжения, что активизирует их магнитные свойства при приближении к нужному магниту.

Для определения этого момента в статоре установлены датчики Холла(всего 3 штуки). Это специальные датчики, которые определяют положение ротора относительно статора. Реагируя на магнитное поле постоянных магнитов, они подают электрический сигнал, который поступает на контроллер. Получив информацию от датчиков Холла о положении ротора, контроллер в нужный момент подает импульсы напряжения на обмотки статора, превращая их в электромагниты. Они притягивают постоянные магниты ротора, тем самым, обеспечивая его вращение. В результате за полный цикл происходит вращение ротора на один оборот, что показано на анимации работы бесколлекторного двигателя.

Управление скоростью вращения мотор-колеса, т.е. скоростью движения электровелосипеда, осуществляется при помощи ручки газа за счет изменения количества импульсов напряжения в секунду, которые подаются на обмотки мотор-колеса. Еще один элемент управления мотор-колесом – это датчики, встроенные в тормозные ручки, отключающие подачу питания на двигатель, когда мы хотим затормозить электровелосипед.

Готовое мотор колесо представляет собой ротор, скрепленный спицами с ободом. Все, что остается сделать покупателю, это одеть камеру и покрышку на обод и установить мотор-колесо на велосипед.Даже неопытный велосипедист легко и быстро переоборудует своей велосипед в электрический, используя мотор-колесо и грамотно следуя нашей инструкции.

Мотор-колесо «Флайджер» мощностью 350W.

Экологичные автомобили, будь-то «чистые» электромобили или плагин-гибриды объединяет наличие электродвигателя, в качестве основной движущей силы. Работа современного электрического двигателя основана на принципе электромагнитной индукции, в базе которого лежит выработка электродвижущей силы в замкнутом контуре с изменением магнитного потока. Технология не нова, однако современные достижения науки и техники позволили развить ее до невероятных высот. Немалую роль в этом сыграла и возросшая в десятки раз мощность и емкость аккумуляторных батарей, которые выполняют роль топливного бака в современных электрических и гибридных автомобилях.

Электромобиль Nissan Leaf в «разрезе»: батарея с электродвигателем

Тем не менее, нельзя со 100% уверенностью утверждать, что все электродвигатели одинаковы. Многие ошибочно считают электродвигатель довольно простой установкой, однако стоит, к примеру, учитывать тот факт, что в отличии от ДВС, у электрического двигателя практически 90% КПД выделяемой энергии идет на создание крутящего момента. Согласитесь, что подобную мощность необходимо обуздать и уметь с ней обращаться, а для этого нужно знать некоторые нюансы о работе и разновидностях электрических двигателей.

Электродвигатели – особенности эксплуатации и принцип работы

К главным особенностям электрического двигателя относится несколько важных характеристик:

  1. Крутящий момент мотора достигает своего максимума сразу при включении, таким образом, электромобили не требуют наличия характерных для ДВС стартеров и сцеплений.
  2. Работа агрегата на обширном числе оборотов, позволяет электромобилю обходиться без коробки переключения передач. Для изменения стороны вращения двигателя (включение заднего хода) достаточно поменять полярности.

Электродвигатель Nissan Leaf

Однако все понимают, что стартовать на электромобиле со всего потенциала крутящего момента, который гораздо мощнее многих автомобилей с ДВС, никто не будет. По меньшей мере, это небезопасно, и что немаловажно это влечет неэффективный расход заряда батарей. Поэтому традиционно электродвигатели должны отвечать следующим требованиям:

  • иметь безопасное и удобное для эксплуатации строение;
  • обладать гарантией длительной эксплуатации;
  • иметь компактные габариты.

Как уже упоминалось, работа современного электродвигателя основана на давно известном принципе электромагнитной индукции. Традиционно агрегат состоит из недвижимого элемента – статора, и крутящегося – ротора. Статор имеет ряд обмоток на которые поступает электрический ток, что приводит к появлению магнитного поля, при котором ротор начинает свое движение. Скоростные показатели ротора определяются частотой, с которой происходит переключение тока с одной обмотки статора на другую.

Двигатели для электромобилей – разновидности и классификация

В современных автомобилях с электрической тягой серийного производства наиболее часто используют три типа электрических двигателей.

Асинхронные двигатели. Моторы непостоянного тока, в которых скорость вращения ротора различается с потенциалом напряжения магнитного поля, созданным источником питания. Различают одно, двух и трехфазные агрегаты асинхронного типа.

Асинхронный трехфазный электродвигатель переменного тока Tesla Model S

Синхронные двигатели. Электромотор, работающий на переменном токе, с движением ротора полностью симметричным электромагнитному полю. Подобные электродвигатели используют при повышенных мощностях. Различают шаговые и вентильные синхронные электродвигатели. Для первых характерно точное расположение ротора с подачей питания на конкретную обмотку, а чтобы изменить положение ротора, напряжение между обмотками необходимо перенаправить. Для второго типа агрегатов характерно питание от полупроводниковых составляющих.

Синхронный электродвигатель с постоянным магнитом Mitsubishi i-MiEV

Двигатель-колесо. Тип электромотора сила напряжения и крутящий момент которого рассчитан на конкретное колесо. Данный тип электропривода часто используется в плагин-гибридных автомобилях в рабочем тандеме с двигателем внутреннего сгорания. Агрегат может устанавливаться непосредственно в колесо, однако современные электромобили все больше отходят от такого расположения мотора, поскольку это увеличивает удельный вес шасси и снижает управляемость. Более рационально стало использовать двигатель в качестве полноценного привода для вращения колеса.

Двигатель-колесо

Что касается регулировок управления электродвигателя, то за преобразование постоянного тока от аккумуляторных батарей в трехфазный переменный – отвечает инвертор.Трансмиссия – выполняющая роль сцепления и коробки передач, зачастую представлена одноступенчатым зубчатым редуктором.Остальные параметры работы электродвигателя регулируют электронная система управления, которая индивидуальна для каждой марки электрокара или гибрида.

Видео как работает электродвигатель и другие механизмы электромобиля на примере Tesla Model S

Хотелось бы подчеркнуть, что представленная классификация и система работы электродвигателей далеко не финальная. Стремительное развитие отрасли эко автомобилей только входит в начальную стадию, поэтому кардинального изменения принципа работы, мощности, строения электромоторов можно ожидать уже в ближайшее время.

Какие электродвигатели используются в гибридных и плагин-гибридных автомобилях

Гибридные автомобили имеют собственную специфику использования электромоторов. Во многом электродвигатель гибрида выполняет роль вспомогательного элемента, повышающего мощность основного двигателя внутреннего сгорания и снижающего уровень потребления топлива.

Электродвигатели используемые в гибридах можно разделить на несколько разновидностей:

  • Встроенная помощь мотору. Электродвигатель который берет на себя часть усилий по созданию крутящего момента при движении.
  • Встроенный генератор стартера. Электродвигатель, который только приводит автомобиль в движение.
  • Старт/стоп двигатель. Электродвигательная система, которая отключает основной ДВС при остановке и мгновенно запускает его при начале движения.

Кроме указанных подвидов классифицируют три типа использования электродвигателя:

  • Параллельной работы. В данном типе электродвигатель питается от батарей, а ДВС от топливного бака. Обе категории двигателей создают крутящий момент для движения автомобиля.
  • Последовательной работы. Заведенный двигатель внутреннего сгорания включает генератор, который или заводит электродвигатель или подзаряжает аккумуляторный блок.
  • Параллельно-последовательной работы. Данный тип гибридного двигателя соединяет электромотор, генератор, ДВС и колеса редуктором.

По большей части в гибридах используется принцип параллельной работы электродвигателя и ДВС. Его применяют также в подключаемых гибридах (плагин-гибридах), в которых по мере истечения заряда аккумуляторных батарей подключается ДВС малой мощности, работа которого в направлена на восполнение заряда АКБ.

Видео работы новой гибридной системы плагин-гибрида Toyota Prius

Преимущества и недостатки использования электродвигателей

Как и любой двигатель, электромотор в электромобиле имеет собственные плюсы и минусы использования. Для понимания данных особенностей электромоторов приведем таблицу:

Преимущества Недостатки
  • Небольшие габариты и малый вес.
  • Максимальный крутящий момент доступен с момента включения (при нулевых оборотах) двигателя.
  • Высокая, фактически ничем не ограниченная производительность.
  • Возможность использования рекуперативной энергии.
  • Экологически чистая работа.
  • Минимум движущихся деталей требующих замены или ремонта.
  • Отсутствие необходимости в КПП.
  • Зависим от настроек программного обеспечения, питания и производительности аккумуляторных батарей.

Будущие перспективы электродвигателя в автомобилях

Говорить о перспективах, при активном использовании электродвигателей в автомобилях, уже не разумно. Сейчас можно говорить только о происходящих и грядущих улучшениях электромоторов.

Сам электродвигатель, это достаточно совершенное устройство, апгрейд которого происходит исключительно в зависимости от потенциала использования. Ближайшие тенденции по улучшению электродвигателя направлены в сторону уменьшения размеров и массы, с сохранением и увеличением производительности.

Гораздо больше работы проводится по улучшению источников энергии для электродвигателя, а точнее аккумуляторных батарей. Их также стараются сделать меньше и легче, увеличивая объем, отдачу энергии, но при этом снижая время на подзарядку. Работа над АКБ устанавливаемых на электромобили, сейчас наиболее приоритетная в отрасли производства электромобилей, гибридных и плагин-гибридных авто.

В данной статье рассматриваются ключевые преимущества и недостатки электромобилей по сравнению с автомобилями c ДВС. Рассмотрены аспекты надежности и долговечности, стоимость обслуживания, скорость, безопасность, запас хода и наличие необходимой инфраструктуры.

Надежность и долговечность

Электромобили значительно надежнее, чем их бензиновые, дизельные и газовые собратья. В них меньше подвижных и изнашиваемых частей, так как двигатель и коробка передач устроены гораздо проще.

В популярном американском электрокаре Chevrolet Bolt всего 35 подвижных частей, которые подвержены износу. В бензиновом автомобиле того же класса Volkswagen Golf таких частей 167.

Кроме того, ДВС из-за своей неэффективности выделяют большое количество тепла во время работы, что ускоряет износ компонентов силового агрегата.

Единственная часть электромобиля, которая может вызывать опасения в плане надежности, это аккумуляторная батарея. Со временем она деградирует, то есть теряет часть своей изначальной энергетической емкости. Однако статистические данные позволяют судить о том, что при надлежащем уходе очень маловероятно, что батарея потеряет более 20% емкости до пробега 250000 км.

На сегодняшний день лишь у 0,003% электромобилей наблюдаются проблемы с батареей, которые требуют её замены до окончания расчетного срока службы транспортного средства (8-10 лет).

Стоимость обслуживания и эксплуатации

Следствием высокой надежности электромобилей являются низкие затраты их владельцев на ремонт и обслуживание.

По данным Американской ассоциации автомобилистов, при 240000 км пробега электромобиль в среднем требует на $2100 рублей меньше расходов на ремонт и замену изношенных частей, чем обычный автомобиль того же класса.

В дополнение к этому, у электрических транспортных средств существенно меньше расходных материалов и жидкостей, требующих регулярной замены. Их тормозные колодки изнашиваются медленнее благодаря технологии рекуперативного торможения.

Наконец, автомобили с электрическим двигателем позволяют крупно сэкономить на топливных расходах. Полная зарядка электричеством даже в пиковые часы будет обходиться владельцу машины дешевле, чем заправка бака обычного автомобиля самым дешевым топливом — сжатым природным газом.

К 100 тыс. км пробега топливная экономия от использования электричества вместо бензина составит около 300 тыс. рублей (при зарядке в ночное время).

Стоимость покупки

Одним из главных на сегодняшний день недостатков электромобилей является их высокая стоимость, которая обусловлена дороговизной аккумуляторных батарей. При отсутствии государственных субсидий и налоговых льгот покупка электромобиля пока не может быть экономически обоснована, даже с учетом экономии при эксплуатации.

Динамика цен на аккумуляторные ячейки позволяет прогнозировать паритет стоимости электромобилей и автомобилей с ДВС не раньше, чем к началу 2020-х годов.

Запас хода

На данный момент, электромобили всё еще отстают от бензиновых и дизельных автомобилей по запасу хода. Лишь немногие модели способны проехать на одном заряде более 500 км. Более того, в условиях низких температур эффективность батарей падает, на обогрев салона требуется дополнительная энергия, поэтому запас хода может уменьшиться на 20%.

Исследование, проведенное в Массачусетском Технологическом Институте, показало, что запас хода современных бюджетных электромобилей достаточен, чтобы покрыть ежедневные нужды 87% американцев без дополнительной подзарядки в течение дня.

С развитием аккумуляторных технологий отставание от бензиновых и дизельных автомобилей удастся сократить, а строительство скоростных зарядных станций вдоль автомагистралей позволит использовать электромобили для дальних поездок (см. п.7).

Скорость и безопасность

Электродвигатели не требуют коробки передач и способны мгновенно передавать максимальный крутящий момент на колеса, благодаря чему электромобили очень динамичны и позволяют безопасно проводить обгоны.

Электрический седан Tesla Model S P100D является одним из самых быстрых серийных автомобилей на планете с разгоном 0-100 км/ч за 2,5 секунды.

Электрическая силовая установка является более эффективной (КПД>90%), чем ДВС и позволяет моментально изменять усилие на каждом из ведущих колес. Это даёт электромобилям высокую курсовую устойчивость и снижает риск заноса.

Низкое расположение аккумуляторной батареи понижает центр тяжести и повышает жесткость кузова, что положительно сказывается на управляемости.

Отсутствие массивного двигателя в передней части электромобиля создает своего рода «буферную зону», смягчающую последствия фронтального столкновения. А наличие батареи под полом защищает пассажиров от боковых ударов.

Технологичность

В электрический транспорт проще интегрировать технологии автономного вождения (автопилот).

Недавно американская компания Waymo (подразделение Google, входящее в холдинг Alphabet), объявила о закупке 20 тысяч электромобилей Jaguar I-Pace для организации собственного сервиса беспилотного такси в США.

Еще одной технологией, доступной только для электромобилей является Vehicle-to-Grid (V2G), которая позволяет сделать их частью энергетической системы. Электрические авто при этом помогают сбалансировать нагрузку на энергосеть и вдобавок дают возможность своим владельцам немного подзаработать на разнице ночных и дневных тарифов.

Удобство зарядки/заправки

Одним из факторов, сдерживающих распространение электромобилей, является медленная скорость зарядки и недостаточное количество зарядных станций.

Количество публично доступных зарядных станций увеличивается, их уже около 500 тысяч, а отношение к количеству электромобилей на дорогах на данный момент составляет 1:6. Тем не менее, мощность большинства публичных зарядных станций не превышает 50кВт. Это значит, что для полной зарядки электромобиля требуется больше часа, в то время как на заправку топливного бака обычного автомобиля уходит не более 10 минут.

Ситуация усугубляется большим количеством стандартов зарядных разъемов, это приводит к несовместимости некоторых моделей электромобилей с зарядными станциями определенного типа. Но, благодаря международному сотрудничеству автопроизводителей, в 2011 году удалось разработать универсальный зарядный стандарт ССS. Он позволяет сочетать зарядку с использованием постоянного и переменного тока, а его последние модификации имеют максимальную мощность в 350 кВт, которая позволяет зарядить электромобиль за 15 минут. На данный момент строительство зарядных станций данного типа активно ведется в ЕС, США, Японии и Китае, однако пока ни один электромобиль не поддерживает зарядку такой мощности.

Экологичность и низкий уровень шума

Производство электромобилей наносит больший экологический вред, чем производство автомобилей с ДВС. Причина — энергоемкость и ресурсоемкость производства батарей, содержащих редкоземельные металлы.

На этап производства приходится около половины всех выбросов парниковых газов за весь жизненный цикл электромобилей.

Тем не менее, большинство научных исследований сходятся на том, что электромобили полностью компенсируют большее экологическое воздействие на производственном этапе меньшими выбросами в процессе эксплуатации. Скорость, с которой они «выходят в плюс» напрямую зависит от уровня развития ВИЭ и других низкоуглеродных источников энергии.

В Норвегии, которая более 95% электроэнергии получает от электростанций — это 25000км пробега, для Москвы (ТЭС на природном газе) — примерно 70000км.

Не стоит забывать, что в месте эксплуатации электромобилей выбросы отсутствуют. Это позволяет вынести загрязнения за пределы городов в районы расположения электростанций, где относительно низкая плотность населения.

Также для электромобилей, в сравнении с традиционными автомобилями, характерно низкое шумовое загрязнение.

Обобщая всё вышесказанное, можно сделать вывод, что на текущей стадии развития технологий, электрические авто уже обладают рядом бесспорных преимуществ по сравнению с бензиновыми и дизельными автомобилями, а в будущем они будут только усиливаться.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *