Электрическая машина
— электромеханический преобразователь, который преобразует механическую энергию в электрическую (генератор), либо электрическую энергию в механическую (электродвигатель), либо электрическую энергию с одними параметрами (напряжением, частотой и т.д.) в электрическую с другими параметрами.
В качестве энергоносителя в электрической машине может быть использовано как магнитное, так и электрическое поле. Машины, в которых для преобразования энергии используется магнитное поле, называются индуктивными, а те, в которых используется электрическое поле, — емкостными. Возможно также совместное использование магнитного и электрического полей. Такие машины называются индуктивно-емкостными.
На практике наибольшее распространение получили индуктивные машины.
Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии на:
- генераторы
— источники электрической энергии; - электродвигатели
— источники механической энергии; - специальные электрические машины — электромеханические преобразователи с более сложным целевым назначением
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 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.
Охлаждение
Еще одна проблема – это система охлаждения для аккумулятора. Как известно, при работе он, да и вся электронная схема, довольно сильно греется. А при нагревании литий-ионные аккумуляторы выделяют некоторое количество газа. Чем больше его выйдет, тем хуже характеристики устройства. Соответственно, нельзя допускать перегрева. Поэтому нужно использовать разумную систему охлаждения. Каждый поступает по-своему. Кто-то делает сложную масляную или водяную систему охлаждения, а кто-то просто располагает аккумулятор так, чтобы он постоянно обдувался воздухом. Последний ход позволяет отказаться от систем охлаждения в принципе.
Для переноса электродвигателя требуется больше времени. Чем использовать накопленную энергию. Еще одна серьезная проблема с свинцово-кислотными батареями — это вес. По количеству энергии, которую они могут хранить, их вес почти непомерно высок, когда считается, что электромобиль должен нести свой собственный источник энергии.
Он имеет бесспорные качества работы, такие как немедленный уход, тишина, отсутствие вибрации и не загрязнение окружающей среды. Поскольку бензиновый двигатель постепенно увеличивает свою мощность. электрический двигатель получает и теряет мощность очень быстро.
К тому же нагреваются и провода, по которым проходит ток, а также и все прочие электрические и электронные части. Если не озаботиться качественным охлаждением, то летом в такой машине просто невозможно ездить. Поэтому охлаждение машины – еще один бич, который преследует электромобили.
Однако простое использование электродвигателя на обычном транспортном средстве может не работать. Необходимо спроектировать электрический автомобиль полностью в зависимости от двигателя, который он будет использовать, и его характеристик. Электродвигатели имеют только отверстия, стратегически расположенные в их арматуре, через которые воздух свободно проходит. По запросу эти двигатели имеют небольшой вентилятор, который заставляет воздух проникать внутрь.
Смазка тоже практически не существует. Подшипники самих электродвигателей самосмазываются, по конструкции, или есть места, где через несколько интервалов устанавливаются несколько капель подходящих смазочных материалов. По своей форме электродвигатели всегда могут использовать подшипники вместо втулок, что делает смазку еще проще.
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.
В чём заключаются основные недостатки электромобилей?
1. Относительно небольшой запас хода на одной зарядке. Возможности электромобилей всё ещё не позволяют совершать длительные поездки из одного города в другой на одной зарядке. Запас хода электрокаров средней ценовой категории около 160-250 км. Электрокар JAC iEV7S, который планируют начать производить на уже в феврале этого года, выдаёт 280 км на полной зарядке.
2. Электромобили нельзя назвать абсолютно экологичным транспортом. Большая часть электричества вырабатывается при сжигании ископаемого топлива. По оценкам Мирового энергетического совета на 2020 год, около 66% электроэнергии в мире производится на базе угля, газа и нефти. Несмотря на это, по данным Electric Vehicle Association of Canada, использование электрокаров, заряжаемых даже от неэкологичных видов электроэнергетики, вдвое сокращает выбросы углекислого газа в атмосферу.
3. Длительность процесса зарядки. От бытовой розетки аккумулятор даже небольшой ёмкости (25 кВт⋅ч) заряжается 7-12 часов. На зарядку 85 кВт⋅ч батареи Tesla уходит до 32 часов. Даже системы быстрой зарядки вроде Tesla Supercharger заряжают аккумулятор до 80% максимум за 30 минут. JAC iEV7S в режиме быстрой зарядки пополняет запасы батареи на 80% за 1 час и на 100% за 1,5 часа.
4. Ограниченный срок службы аккумулятора. По оценкам экспертов, реальный срок батарей около 8-10 лет. За первые пять лет эксплуатации электрокаров запас хода падает на 20-30%. Новые аккумуляторы стоят достаточно дорого – батарея для Nissan Leaf обойдётся в $ 4-5 тысяч, для Tesla Model S – $10-20 тысяч.
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.
Аккумуляторы
Кстати, еще один интересный момент – это аккумуляторы. Именно их характеристики и определяют, сколько машина сможет проехать на одном заряде. Они тут, как правило, состоят из набора обычных аккумуляторов, которые применяются в ноутбуках, электронных сигаретах и так далее. Схема их подключения такова, что на выходе мы получаем достаточную мощность для раскручивания двигателя и достаточную емкость для езды на максимальные расстояния. За то, чтобы аккумулятор не разряжался сразу же, отвечает специальное устройство – контроллер заряда и разряда.
Батарея, используемая бензиновыми транспортными средствами, — это просто «получить» стартер. Но ток, необходимый для включения стартера, настолько велик, что через несколько секунд он полностью разряжает аккумулятор. С другой стороны, свинцово-кислотные батареи в реакции их разряда имеют минимальную точку, из которой эта реакция становится необратимой, то есть даже если ток пропускается в противоположном направлении, он больше не будет перезаряжаться. Следует также отметить, что нет идеальной корреляции между временем загрузки и разгрузки.
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).
Что важно учитывать при покупке электромобиля?
Главные характеристики при покупке электрокара не скорость и мощность двигателя, а запас хода на одной зарядке и экономичность. Пробег от одной зарядки зависит как от ёмкости батареи, так и от экономичности машины.
Современные массовые электрокары имеют батареи ёмкостью более 30 кВт⋅ч и дальность хода от 160 до 200 км. Стоит учесть, что машины одной модели, но более старого года выпуска могут иметь менее ёмкие батареи (24 кВт⋅ч) с меньшим пробегом. Максимальная скорость большинства электромобилей не превышает 150 км/ч, что оптимально для передвижений в городской среде.
При покупке электромобиля следует учитывать мощность зарядного устройства (ЗУ) и типы разъёмов для быстрой зарядки. ЗУ используется при зарядке от сети переменного тока. Большинство электромобилей стандартной комплектации оснащены устройством мощностью 3,6 кВт. Оно не подходит для станций ускоренной зарядки (10-22 кВт), позволяющих зарядить батарею за 4 часа.
Автомобили некоторых производителей имеют более мощные ЗУ. Устройства также различаются по типу напряжения, так что при заказе автомобиля из США стоит приобрести дополнительное ЗУ, рассчитанное на 220 В. Быстрая зарядка (80% батареи за 30 минут) постоянным током требует специального разъёма. В различных странах стандарты этих разъёмов разные. Японские производители поддерживают стандарт CHAdeMO, европейские и американские – Combo 1 и Combo 2, а у автомобилей Tesla имеется свой стандарт быстрой зарядки, который не подходит для всех остальных, но с помощью адаптера их можно заряжать на любой станции.
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.
