Двигатели для электромобиля: как устроены и принцип их работы
С каждым днём электромобили приобретают всё большую популярность у автолюбителей, а рынок электрокаров непрерывно растёт. Крупнейшие автопроизводители могут предложить марки и модели электромобилей на любой вкус и бюджет. Гибридные, плагин-гибридные, чистые электромобили — всех объединяет наличие электрического двигателя. Об устройстве данного механизма и принципе его действия и пойдёт речь в статье.
- Как устроен электромобиль
- Видео: как работает электромобиль?
- Видео: принцип работы асинхронного тягового двигателя
- Двигатели постоянного тока
- Видео: устройство и принцип работы двигателя постоянного тока
- Синхронный двигатель
- Асинхронный двигатель
- Видео: принцип работы асинхронного электродвигателя
Как устроен электромобиль
Невооружённым взглядом отличить электрокар от привычного автомобиля практически невозможно: колёса, кузов, шасси, мотор и различное электрооборудование (подогрев, свет и другие элементы, зависит от конструкции). Основное отличие — «сердце» электромобиля работает за счёт электрического тока, а в кузове находится отсек для аккумуляторной батареи.
На приборной панели электрокара отображается скорость, уровень заряда аккумулятора и число оборотов двигателя в минуту. Коробка передач как таковая отсутствует, ведь скорость движения регулируется нажатием педали газа.
Знаете ли вы? Первый электромобиль был создан в 1841 году и выглядел как тележка с электромотором.
Мотор электромобиля кардинально отличается от двигателя внутреннего сгорания. В нём нет камер сгорания, коленчатого вала и поршней. Электромотор состоит из неподвижного статора, по которому пропускается ток, и ротора. Ротор представляет собой набор электропроводящих стержней.
Трансмиссия в электромобиле представлена двумя элементами: односкоростной коробкой передач, которая передаёт производимую двигателем мощность на ведущие колёса, и простым дифференциалом. Единственное назначение коробки передач в электромобиле — это снижение скорости вращения и связанное с этим увеличение крутящего момента. В некоторых моделях электромобилей коробка передач отсутствует, её функции выполняет понижающий редуктор. Переход к задней передаче осуществляется благодаря изменению чередования фаз в двигателе.
Аккумуляторная батарея представляет собой набор литий-ионных элементов, объединённых в блоки, которые соединены параллельно, чтобы обеспечить необходимую для запуска электромобиля мощность. Использование гликолевого хладагента, который проходит по металлическим трубкам через зазоры между элементами аккумулятора, позволяет равномерно распределить температуру и избежать точек перегрева. Нагретый гликоль охлаждается через радиатор, установленный в передней части двигателя.
Электронная система управления электрокаром используется для распределения высокого напряжения, контроля расхода электроэнергии и исправности тормозной системы. Важным элементом системы является контроллер, который передаёт необходимое количество тока от батареи к мотору. Ещё одной важной деталью электромобиля является инвертор, который преобразует постоянный ток, вырабатываемый аккумулятором, в переменный. Инвертор также регулирует частоту переменного тока, следовательно, и скорость движка.
Электрический автомобиль имеет множество преимуществ перед авто с двигателем внутреннего сгорания:
- экологичность, т. к. при работе электродвигателя выброс вредных веществ в атмосферу существенно снижается;
- экономия на заправке — стоимость электричества значительно ниже, чем стоимость автомобильного топлива;
- мотор работает гораздо тише, что делает езду в авто более комфортной;
- экономия на сервисном обслуживании, т. к. электромобиль имеет меньшее количество подвижных деталей, требующих ремонта или замены;
- безопасность, что объясняется наличием электронной системы управления.
Важно! Выбирайте электромобиль, модель которого выпущена не менее двух лет назад. За этот период недостатки данного модельного ряда успеют проявиться.
Среди недостатков данного вида транспорта можно выделить как высокую стоимость и относительно небольшой модельный ряд в настоящее время, так и ограниченность сети заправочных станций. К тому же, электромобиль нуждается в частой и длительной подзарядке, что может быть проблемно при путешествиях на большие расстояния.
Безусловно, электромобиль признают транспортом будущего, компании-производители постоянно совершенствуют технические характеристики электрокаров, а сервис становится более доступным.
Видео: как работает электромобиль?
Тяговый двигатель и принцип его работы
Такие приспособления активно используются на электропоездах, троллейбусах, трамваях и автомобилях с электроприводом. Данный агрегат представляет собой механизм, преобразующий электрическую энергию в механическую, что, в свою очередь, приводит машину в движение. Также тяговый двигатель может выступать в роли генератора, преобразовывая энергию уже движущихся колёс обратно в электрическую.
Знаете ли вы? Первый автомобиль в космосе — электрический! В 2018 году компанией SpaceX была запущена ракета-носитель Falcon, на борту которой находился электромобиль Tesla Roadster с манекеном за рулём и копией романа Адамса Дугласа «Автостопом по галактике» в бардачке.
Моторы электромобилей работают по такому же принципу. Говоря точнее, работа электродвигателя основана на принципе электромагнитной индукции: электрический ток подаётся на статор, проходя по обмоткам, он создаёт вращающееся магнитное поле, что индуцирует ток в стержнях ротора и заставляет его вращаться.
Видео: принцип работы асинхронного тягового двигателя
Отличия по типу тока
Существует несколько разновидностей электродвигателей: они могут питаться от постоянного, пульсирующего или переменного тока. Во всех случаях их работа основана на явлении электромагнитной индукции. Отличие состоит в конструкции таких механизмов и способе питания привода.
Двигатели постоянного тока
Во всех электродвигателях такого типа присутствуют якорь (вращающийся элемент) и индуктор (неподвижная часть), которые разделены воздушным пространством. Индуктор состоит из станины, которая является элементом магнитной цепи, а также главных и добавочных полюсов.
На них располагаются обмотки, необходимые для создания магнитного поля устройства. Индуктор двигателя постоянного тока создаёт неподвижное магнитное поле. Якорь состоит из магнитной системы и коллектора, где с помощью щёток образуется электрический ток.
Коллекторный электродвигатель имеет свои недостатки:
- повышенный уровень шума при работе;
- необходимость замены деталей (трущиеся щётки и коллектор);
- помехи из-за искрения щёток и переключения обмоток якоря.
Электродвигатель постоянного тока имеет более высокий коэффициент полезного действия, а также имеет возможность более точно регулировать обороты, что отражается на стоимости такого устройства.
Видео: устройство и принцип работы двигателя постоянного тока
Двигатели пульсирующего тока
Такие электромоторы по своей конструкции схожи с двигателями постоянного тока. Различие между ними в том, что данный тип мотора имеет в своей конструкции дополнительную компенсационную обмотку и шихтованные полюса. Применяются двигатели пульсирующего тока в электровозах, где питаются выпрямленным переменным током.
Рекомендуем для прочтения:
- Крутящий момент двигателя: что дает, какой должен быть и как повысить
- Принцип работы роторного двигателя внутреннего сгорания
- Атмосферный двигатель: принцип работы, плюсы и минусы
- MPI двигатель — что это такое?
Двигатели переменного тока
Электрические моторы такого вида могут питаться одно-, двух- или трёхфазным током. Трехфазные, в свою очередь, делятся на синхронные и асинхронные.
Внешне они практически идентичны, статоры имеют одинаковую конструкцию и выполняют одну и ту же функцию — создают вращающееся магнитное поле. Отличие состоит в работе роторов. Несомненным преимуществом двигателей переменного тока является рекуперация, т. е. способность генерировать энергию в процессе торможения электромобиля и сохранение её в аккумуляторе.
Важно! Оптимальная температура для электромобиля составляет +21°С. Резкое потепление или похолодание негативно скажется на работе батареи: использование печки или кондиционера может сократить заряд аккумулятора.
В агрегатах такого типа ротор и магнитное поле статора движутся с одинаковой скоростью. Синхронные двигатели мощностью в сотни киловатт имеют на роторе дополнительные обмотки возбуждения. В электродвигателях меньшей мощности полюса образуются постоянными магнитами. Подобные устройства используют там, где необходима постоянная частота вращения, независимо от нагрузки. Такие моторы способны генерировать реактивную мощность.
В большинстве современных электромобилей используется асинхронный, или индукционный двигатель. Отличием такого электромотора является то, что скорость вращения ротора в нём меньше скорости вращения электромагнитного поля.
Скорость такого мотора зависит от частоты переменного тока, т. е. изменив частоту тока, можно изменить скорость вращения ведущих колёс, что позволяет легко контролировать скорость электромобиля. Скорость вращения электродвигателя может составить от 0 до 18 000 оборотов в минуту.
Видео: принцип работы асинхронного электродвигателя
Самые популярные электродвигатели
Каждый вид электромоторов имеет свои особенности и области применения. В бытовой технике наиболее распространены коллекторные двигатели (стиральная машина, пылесос, дрель). В промышленности большой популярностью пользуются асинхронные электродвигатели из-за надёжности, неприхотливости в обслуживании и невысокой стоимости.
Асинхронный двигатель в быту можно встретить в холодильнике, электрическом насосе и вытяжном вентиляторе. Синхронные двигатели с постоянными магнитами также встречаются довольно часто: в вентиляторе кулера, авиастроении, стиральных машинах с прямым приводом, сегвеях. В электромобилях чаще всего встречаются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, что обосновывается их компактностью, долговечностью, высокой производительностью и простотой использования.
Таким образом, автомобили с электромоторами стали достойной альтернативой авто с ДВС. Среди преимуществ электродвигателя — больше скорости и динамики, больше крутящего момента, меньше финансовых затрат и отравляющих выхлопов. С каждой новой моделью все системы электромобиля улучшаются, повышается безопасность и комфортность передвижения.
Какие бывают электродвигатели для авто
Какие бывают электродвигатели, сегодня стоит знать каждому автомобилисту. И не только из-за увеличения популярности электромобилей. Ведь электромоторы есть на борту всех современных автомобилей.
Итак, какие бывают электродвигатели? Один из стереотипов состоит в том, что все они простые. Если сравнивать с двигателями внутреннего сгорания, это можно считать правдой. Хотя бы потому, что электродвигатель имеет гораздо меньше движущихся деталей, и требования к материалам, технологиям и точности их изготовления намного ниже.
Так работает простейший двигатель постоянного тока – полюса ротора (якоря) и статора отталкиваются друг от друга, вращая вал
Принцип действия
Если в привычном нам ДВС коленвал вращается благодаря энергии расширяющихся газов, которые толкают поршень, то вал электродвигателя вращается благодаря явлению магнитной индукции – силовым полям, которые возникают около проводников с электрическим током. Чтобы сделать эти поля сильными и управляемыми, проводники собраны в обмотки, размещенные на статоре (неподвижная часть электромотора) и роторе (он же якорь, подвижная, вращающаяся часть).
Упрощенно говоря, при подаче напряжения на клеммы двигателя на его статоре и роторе возникают магнитные поля. Они отталкиваются друг от друга, заставляя ротор смещаться относительно статора – проворачиваться. Благодаря наличию коллектора (об этом ниже) или переменному току (и об этом ниже), поле одной из обмоток – ротора или статора – также начинается вращаться, “догоняя” второе из полей. Поэтому ротор вращается до тех пор, пока не будет отключена одна из обмоток и вокруг нее не исчезнет магнитное поле.
Двигатель переменного тока устроен очень похоже. Но в автомобилях “переменка” используется только в тяговых электродвигателях
AC/DC
Как ДВС делятся на бензиновые и дизельные, так электромоторы делятся на моторы переменного и постоянного тока. Отличия довольно существенные, хотя суть одна: вал ротора, с которого снимается нагрузка, вращается благодаря взаимодействию магнитных полей ротора и статора. Тип тока (постоянный или переменный) влияет на способ управления оборотами, смену направления вращения, эксплуатационные и тягово-скоростные характеристики электромотора.
Такие миниатюрные моторчики постоянного тока применяются не только в игрушках, но и в сервоприводах настоящих автомобилей. Естественно, с редуктором и соответствующего качества
Поскольку в 12-вольтной сети обычного автомобиля используется постоянный ток, то и двигатели на его борту – постоянного тока. Это в первую очередь мощный (иногда более 1 л.с.) электромотор стартера, привод электроусилителя руля, “движки”, приводящие во вращение вентиляторы радиатора и климатической установки, стеклоочистители. Маленькие моторчики спрятаны в актуаторах центрального замка, в приводах зеркал, сервомеханизмах регулировках сидений и руля, в насосе омывателя.
Достоинства электродвигателей постоянного тока автомобильного назначения – в компактности и большом крутящем моменте с самых малых оборотов, недостатки – в ограниченной мощности и моменте, а также в наличии коллекторно-щеточного узла, который имеет ограниченный ресурс.
Более мощные электродвигатели постоянного тока приводят в действие стеклоочистители, вентиляторы климата и радиаторов
Двигатели переменного тока обычно применяются там, где нужна большая мощность и высокая надежность. Эти электрические машины обычно конструктивно проще и долговечнее агрегатов постоянного тока. Именно такие двигатели используются как тяговые в большинстве электромобилей и гибридах. Правда, чтобы запитать двигатель переменного тока от батареи, на борту нужен специальный преобразователь тока – непростой и недешевый инвертор, но его применение оправдано.
По принципу работы моторы переменного тока бывают синхронными и асинхронными. Для рядового пользователя это уже высокие материи, скажем только, что асинхронные моторы на электромобилях применяют из-за простоты управления его оборотами.
Тяговые моторы электромобилей обычно работают на “переменке”, имеют возбуждение от постоянного магнита и относятся к асинхронному типу
Кроме того, одна электрическая машина переменного тока есть и в каждом обычном автомобиле – это генератор. По конструкции он аналогичен электродвигателю, только преобразует энергию, образно говоря, в обратную сторону – механическую в электрическую, а не наоборот, как это делает электродвигатель. Чтобы согласовать ток такого генератора с автомобильной бортовой сетью, применяется встроенный выпрямитель.
На практике: что, где, как
Несмотря на имидж простых и неприхотливых, электромоторы можно отнести к узлам, которые беспокоят автовладельцев. Требует внимания стартер – как минимум очистки коллектора и замены щеток, реже – замены подшипников. Распространенная неисправность – отказ моторчика печки, на неновых машинах часто подводит и электродвигатель вентилятора радиатора. Электродвигатель стеклоочистителя, часто имеющий статор с постоянными магнитами, боится перегрева (например, если дворники примерзли к стеклу) – из-за этого магнит теряет свои свойства, и дворники становятся “медленными”.
Дверные приводы замков, в особенности не штатные, а уставленные вместе с сигнализацией, тоже со временем “перегорают”. Увы, большинство используемых в автомобиле электродвигателей постоянного тока не принято ремонтировать, их просто заменяют новыми. Исключение составляет стартер, который весьма недешев.
Шток актуатора дверного замка приводится в действие небольшим моторчиком постоянного тока – через редуктор и электронный блок
Генератор переменного тока также требует обслуживания. У него есть щетки, которые подают ток на обмотку возбуждения, но поскольку работают они не по коллектору, а по гладким контактным кольцам, проблем с этим узлом меньше. Подшипники генератора обычно подлежат замене. Распространенная проблема – падение напряжения в бортовой сети из-за перегоревшего диода выпрямителя генератора.
Тяговые электромоторы гибридов и “электричек” обслуживают и ремонтируют в условиях фирменных СТО. Причем нужно быть готовым к тому, что из-за связанных с высоким напряжением рисков электромеханики запросят завышенный гонорар.
Как устроен электромобиль?
В этом тексте я попробовал сфантазировать, как мог бы быть устроен абстрактный электромобиль. Что у него должно быть внутри и как агрегаты автомобиля соединено в единую систему между собой? Иначе говоря, какова архитектура электромобиля?
Инфу пришлось добывать из видеоуроков на YouTube и с флаеров сайтов производителей электро-деталей.
Попробуем понять, какой путь проходит электричество начиная от зарядной розетки заканчивая колесами автомобиля.
Когда речь идет об архитектуре чего-лило, то тут есть 2 способа представления. Либо объяснять всё словами либо рисовать картинку. В этом вопросе я предпочитаю следовать английской пословицы
Поэтому я скомпоновал схему анатомии электромобиля.
Итак, вот схема электромобиля так как я её себе представляю. Понятное дело, что схему надо рассматривать не на листочке A4, а в специальном редакторе векторной графики с увеличением и со слоями. Если кому-то нужен исходник схемы в *.svg, то пишите в личку.
Каждый агрегат электрокара: контроллер зарядки, BMS, инвертор, ABS, ESP, BCU, это, в сущности, устройства на микроконтроллерах. В электромобиле нет ничего механического кроме редуктора на оси двигателя. А мощные процессоры там максимум только в HMI для проигрывания видео. Видимо поэтому электромобили долгое время не появлялись так как до 1980х не было элементной базы для управления ключами инверторов. Я имею в виду мощные и дешевые микроконтроллеры.
Теперь посмотрим под увеличением конкретные места схемы.
Контроллер заряда
Как известно, есть быстрая зарядка постоянным током, а есть медленная от переменного тока. Подозреваю, что выбор режима зарядки происходит по интерфейсу передачи данных по проводам питания PLC или по CAN.
Батарея
Батарея для электрического автомобиля это сотни последовательно соединенных аккумуляторных батареек как в фонариках по 3.7. 4,2V каждая. За состоянием всей батарей следит отдельная электронная плата называемая Battery Management System (BMS). Она следить за напряжением, током, температурой, заботится об охлаждении и нагревании батареи, может разрядить перезаряженную батарею, договориться с зарядной станцией по PLC или CAN и прочее.
Инвертор (Inverter)
Инвертор это по сути переходник постоянного тока в переменных ток (и обратно). Он вырабатывает модулированный трехфазный синусоидальный ток необходимый для вращения мотора. Этим занимается прошивка-spiner в микроконтроллере инвертора. Так как в инверторе очень часто переключаются силовые IGBT транзисторы, то инвертор также может работать в режиме нагревателя и нагревать остывающую батарею.
К контроллеру инвертора подключена педаль газа. Если все CAN устройства зависнут, то автомобиль хоть как-то сможет ездить.
Двигатель
Для вращения в электромобилях используют асинхронный электродвигатель. Он работает от переменного тока. Угловая скорость определяется частотой синусов в фазах тех трех силовых оранжевых проводах, что подключены к индукционному мотору. Обычно рядом с мотором прямо на его оси прикреплен механический редуктор. Редуктор нужен для увеличения крутящего момента на колесах. Также на оси электродвигателя есть датчик положения вала (Резольвер или СКВТ). Он сообщает инвертору, что двигатель в самом деле вертится.
Интерфейс управления (HMI)
За автомобилем надо как-то наблюдать. Для этого есть приборная панель и сенсорный экран. Эти приборы берут инфу из CAN шины и 100Base-T1 интерфейса. Часто есть мобильное приложение и за параметрами можно следить по BlueTooth LE. Можно вообще подключиться к CAN и посмотреть какие там циркулируют пакеты в Win приложении.
Рулевая рейка
Понятное дело что для поворота колес нужен высокий момент и малые скорости. Как известно высоким моментном на малых скоростях обладают шаговые двигатели. Но их там нет. Ведь шаговые двигатели тяжелые и дорогие. В электро-усилитель руля ставят BLDC мотор (бесколлекторный двигатель постоянного тока). Управляет им отдельный ECU рулевой рейки.
Также возможно там есть и чисто механическое руление через планетарный редуктор. Электроника ведь может отказать, микроконтроллер зависнуть. А планетарный редуктор фактически является сумматором крутящих моментов.
Периферия
В автомобиле целая куча всяких разных мелких электроприборов: фары, замки, стеклоподъемники, дворники, люки. Для управления ими ставят отдельные контроллеры. Обычно их называют Body Control Units (BCU).
В основном всё блоки соединены такими интерфейсами как CAN, LIN, K-LIne, 100Base-T1, A2B, FPD-Link, MOST, FlexRay.
Вот реестр с подборкой тех самых видеоуроков на основе которых я нарисовал эту схему
Вывод
По сравнению с двигателями внутреннего сгорания в электромобиле деталей мало. Всё выглядит просто. Допускаю, что в настоящих электромобилях всё несколько сложнее. Особенно в гиперкарах по 2M EUR.
Тут же нет ADAS, парковочных видеокамер. Также я не отражал на схема автомобильные игрушки как мультимедиа системы на задних сиденьях, имитация рычащего мотора из бутафорской выхлопной трубы, сервопривод антикрыла, подогрев стаканчиков, моторы открытия люков, авто лебётки и пр.
Если вам есть, что добавить, то пишите в комментариях.
В автомобильной технике как нигде очень много акронимов. Вот небольшой словарь для понимания автомобильных схем.
Акроним
Расшифровка
original design manufacturer
Источник https://brutals.ru/hobbi/transport/dvigateli-dlya-elektromobilya-kak-ystroeny-i-princip-ih-raboty/
Источник https://auto.24tv.ua/ru/kakye_bvaiut_lektrodvyhately_dlia_avto_n5303
Источник https://habr.com/ru/articles/720854/
