Как работает электродвигатель в автомобиле

Устройство электромобиля. Технические отличия от обычного автомобиля

Сейчас электромобилестроение развивается огромными темпами (особенно внесла вклад в эту тему компания Tesla Motors, запустив в серийное производство свои имеющие оглушительный успех электрокары и заставив таким образом шевелиться конкурентов). Инженеры частенько балуют нас особенными схемами работы электрокаров, например, оборудуя машины двумя электродвигателями или изобретая новые гибридные силовые установки. В этой статье я опишу устройство электромобиля и то, чем средний современный электромобиль технически отличается от классических авто с ДВС. Напомню, из каких частей состоит любой автомобиль:

• двигатель, который создает механическую энергию, приводящую в конечном итоге в движение транспортное средство;
• кузов, к которому крепятся все элементы конструкции;
• шасси, основной задачей элементов которого является передача крутящего момента с двигателя на колеса;
• электрооборудование, которое пронизывает весь автомобиль: тут и стартер, и подогрев, и свет и множество других вещей, в зависимости от комплектации.

Пройдемся по каждой из них и выясним, почему электрокары такие особенные.

Двигатель

В электромобиле он электрический. В нем нет коленвала, поршней, камер сгорания, клапанов и много чего еще, что есть в двигателях внутреннего сгорания. За то есть статор, внутри которого благодаря электромагнитной силе вращается ротор. Подробнее об электродвигателе электромобиля можно прочесть здесь. Немаловажной особенностью электродвигателя является возможность не только производить вращательную энергию, но и создавать ток для заряда батареи, то есть работать в режиме генератора. Это основной принцип так называемой рекуперации: грубо говоря, при нажатии на педаль газа электродвигатель вращает колеса, и энергия батареи тратится, а если педаль отпустить, на движущейся машине уже колеса будут вращать вал двигателя, создавая в обмотке напряжение и генерируя ток, заряжающий батарею.

Благодаря простоте и почти полному отсутствию трущихся частей в электромоторе (кроме подшипников), в отличие от ДВС, ресурс его намного превышает ресурс классического бензинового или дизельного двигателя.

Кузов

Кузов электромобиля отличается наличием отсека для аккумуляторной батареи (чаще всего располагающейся в днище автомобиля). При этом благодаря трансмиссии, занимающей в электрокаре значительно меньший объем, чем в обычном авто, водителю и пассажирам, электрической машины доступно больше пространства в салоне при тех же внешних габаритах.

Шасси

Шасси состоит в свою очередь из ходовой части, механизмов управления и трансмисси. Ходовая часть электромобиля, включающая мосты, подвеску и колеса, не имеет принципиальных отличий от ходовой привычных нам авто. О рулевом управлении и тормозной системе так же сказать особо нечего, кроме того, что благодаря существенному торможению двигателем (как раз когда происходит рекуперация), тормозные колодки и диски электромобиля изнашиваются значительно меньше. Главное же отличие шасси электрического от шасси классического авто кроется в трансмиссии. Конкретно — в коробке передач. В электрокаре её нет :). Вместо нее устанавливается очень простой понижающий редуктор (в котором практически нечему ломаться), имеющий огромный ресурс по сравнению даже с механическими коробками передач, не говоря уже об автоматических коробках и вариаторах. Сцепление, соответственно, тоже отсутствует.

Электрооборудование

Электрическое оборудование электромобиля имеет значительные отличия от электрооборудования автомобиля, приводимого в движение двигателем внутреннего сгорания. Отличия эти касаются электрооборудования мотора; в салоне всё примерно одинаково. В электромобиле отсутствует стартер и нет системы зажигания рабочей смеси, за то там есть аккумуляторная батарея, инвертор (согласующий токи подаваемый от батареи в электродвигатель и генерируемый электродвигателем во время рекуперации), а также модулем, питающим батарею во время зарядки и рекуперации и двигатель через инвертор во время ускорения. Подробнее об аккумуляторной батарее для электромобиля можно прочесть тут. Еще в электромобиле отсутствует система охлаждения двигателя, но часто присутствует система контроля температуры батареи (с подогревом или охлаждением) и электрическая печка.

Посмотрите это видео, которое показывает устройство электромобиля на примере Tesla Model S.

Гибриды

О том, какие бывают электромобили и гибриды, я написал в Часто Задаваемых Вопросах. Гибридами они называются за то, что имеют и электродвигатель, и двигатель внутреннего сгорания в своей силовой установке. Соответственно, механизмы их значительно сложнее, так как включают в себя системы, необходимые для передачи крутящего момента и работы обоих моторов.

Как работает электрический автомобиль?

Электромобилем является транспортное средство, приводимое в движение одним или несколькими электрическими двигателями. Внешне электрические автомобили выглядят точно также, как и бензиновые. Единственное, что выдает электромобиль во время его передвижении — это практически полное отсутствие звука при работе двигателя. Но хотя, внешне бензиновые и электрические автомобили очень схожи, по принципу своей работы они значительно отличаются.
Под капотом у электромобиля вместо бензинового двигателя установлен электромотор, который получает питание от аккумуляторных батарей. Батареи выполняют функцию «топливного бака» и обеспечивают

электрический двигатель энергией, необходимой для перемещения транспортного средства. Электромобиль также оснащен контроллером – блоком управления работой электродвигателя, который регулирует токи в сети между аккумуляторами и двигателем.

Все остальные компоненты в электрическом автомобиле практически те же, что и в бензиновом: коробка передач, тормоза, подушки безопасности и т.д.

Электрический автомобиль Subaru R1e, при максимальной дальности пробега на одном заряде 80 км,
способен разгонятся до 100 км/ч

Для того, чтобы понять принцип работы электромобиля, давайте рассмотрим механизм переоборудования типичного бензинового автомобиля на электрический.

Электромобиль, который отображен на фотографии, начал свою жизнь в роли обычного бензинового автомобиля Geo Prism. Для того, чтобы переоборудовать данное транспортное средство на электропривод, частично была изменена его внутренняя конструкция. Прежде всего, удалили бензиновый двигатель, глушитель, муфту сцепления, бензобак, выхлопные трубы. Механическую коробку передач оставили на месте для использования на второй передаче. Далее, установили контроллер и электрический двигатель переменного тока, вместо бензинового. Свинцово-кислотные аккумуляторы разместили на полу автомобиля. Заменили тормозную систему, и дополнительно конструируемый электромобиль оснастили водяным насосом, усилителем руля, системой кондиционирования. Вакуумный насос добавили для усиления тормозов.

Коробку переключения передач подключили таким образом, чтобы при движении рычага, передавались сигналы на контроллер. Также, электромобиль укомплектовали зарядным устройством для подзарядки аккумуляторов, установили вольтметр, два потенциометра, подключив их к педали акселератора и контроллеру.

Несмотря на то, что система работы автомобиля была изменена, механизм управления им остался практически неизменным.

В результате нехитрого переоборудования получили электромобиль с такими показателями работоспособности и характеристиками:
— диапазон пробега на одном заряде батарей – 80 км;
— разгон: от 0 до 96 км/ч за 15 секунд;
— количество энергии, необходимое для восстановления заряда аккумуляторных батарей: 12 кВт•ч;
— общий вес батарей: 500 кг.

Как устроен электрический автомобиль внутри?

Электрические автомобили довольно выгодны в эксплуатации. Очевидно, что «топливо» для электрических транспортных средств обходится потребителям намного дешевле, чем их заправка бензином. Несмотря на то, что пробег электромобилей на одном заряде батарей ограничен, это практически не заметно в процессе эксплуатации электрического транспортного средства, поскольку 50-60 км диапазона побега для большинства людей вполне достаточно для осуществления всех их ежедневных поездок. Единственным минусом электромобилей является довольно значительная стоимость аккумуляторов. Именно батареи являются на данным момент самым слабым звеном электрического автомобиля.

Основными электрическими комплектующими являются:
-электрическиский двигатель,
-контроллер,
-аккумуляторные батареи.

Контроллер принимает токи от батарей и подает их на электрический двигатель. Благодаря паре потенциометров (переменных резисторов), установленных на педали акселератора, обеспечивается формирование сигнала, подаваемого к контроллеру, о том, сколько энергии он должен доставить. Когда автомобиль останавливается, контроллер не подает токов на двигатель, во время же движения, при давлении на педаль акселератора (газа) контроллер обеспечивать подачу электрического тока на электромотор.

Контроллер считывает импульсы с потенциометров педали газа и, в соответствии с воспринимаемыми данными, регулирует мощность электродвигателя.

В целях повышения уровня безопасности в педали акселератора электрического автомобиля установлено два потенциометра. Контроллер, считывая информацию с них обоих, убеждается, что их сигналы равны. Если же контроллером будут выявлены даже малейшие различия в сигналах – он не реагирует ни на один из них.

В отличии от бензинового автомобиля, электрический является практически бесшумным устройством. Частота подаваемых контроллером импульсов составляет 15000 раз в секунду. Поскольку такой диапазон пульсации просто не реально уловить человеческим слухом, работа контроллера и электрического мотора остается практически бесшумной для человека.

Электрические двигатели и аккумуляторные батареи

Электрический двигатель – сердце электромобиля, его главная движущая сила. В основу работы электродвигателя заложен принцип электромагнитной индукции (явление, связанное с возникновение электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока). Электрический двигатель преобразовывает электрическую энергию в механическую. Коэффициент полезного действия современного электродвигателя составляет 85-95%.

Основными характеристиками электрического двигателя являются: мощность, максимальный крутящий момент, напряжение, ток и частота вращения.
Для комплектования электрического автомобиля могут использовать, как электродвигатели постоянного тока, так и переменного. Каждый из этих двигателей имеет свои преимущества и недостатки. Двигатель постоянного тока может работать от питания в 96V-192V. Двигателя переменного тока является трехфазным двигателем, питаемым переменным током.

В последнее время довольно популярным стало использование в электромобилях мотор-колес. Благодаря объединению в одной конструкции обычного колеса и электрического двигателя, обеспечивается хорошая управляемость транспортным средством.

Некоторые электродвигатели переменного тока при торможении транспортного средства способны работать в генераторном режиме, благодаря чему вырабатывается электрическая энергия, которая сохраняется в аккумуляторных батареях, и в дальнейшем используется для движения автомобиля (функция рекуперативного торможения). Система рекуперативного торможения позволяет увеличить диапазон пробега электромобиля до 15%.

Основными источниками энергии в электрических автомобилях являются аккумуляторные батареи. Довольно высокая цена на аккумуляторы – главная причина того, почему в мире до сих пор преобладают бензиновые автомобили. Удешевление аккумуляторных батарей значительно поспособствовало бы повышению популярности электротранспортных технологий.

Свинцово-кислотные батареи являются самым популярным и наиболее дешевым вариантом аккумуляторных батарей. Высокий уровень их популярности в мире связан также с тем, что эти аккумуляторы на 97% подлежат вторичной переработке. Никель-металлгибридные аккумуляторы имеют более высокую производительность, нежели свинцово-кислотные, но по цене они дороже. Литий-ионные батареи – идеальный вариант для электромобилей, поскольку они легкие, компактные и прекрасно сохраняют энергию. Однако, покупка литий-ионных батарей доступна не каждому, поскольку они являются наиболее дорогим видом аккумуляторов.

Часто в электрических автомобилях помимо батарей, обеспечивающих питание электродвигателя, устанавливается ещё один небольшой дополнительный аккумулятор, необходимый для работы автомобильных аксессуаров: фар, автомагнитолы, приборной панели, подушек безопасности, стеклоочистителей, электрических стеклоподъемников и иных устройств.

Зарядка электического автомобиля

Любой электрический автомобиль нуждается в системе подзарядки аккумуляторов. Зарядная система автомобиля позволяет восполнять энергию батарей практически в любом удобном для пользователя месте, где есть электрическая розетка. Данная система обеспечивает поступление к аккумуляторам электрической энергией с максимально допустимой для батарей скоростью. Во время зарядки зарядное устройство контролируют напряжение, силу тока и температуру в батареях.

Зарядное устройство может быть отдельным от конструкции электромобиля блоком, или же быть полностью интегрировано в электрический автомобиль.

© Сергей Вольтер 2013
Любое копирование, перепечатка и распространение материалов статей без разрешения правообладателя запрещены и преследуются по закону. Нарушение авторских прав будет рассматриваться согласно статьи 52 Закона Украины «О авторском праве и смежных правах», статьи 176 Криминального Кодекса Украины, статьи 432 Гражданского кодекса Украины, статьи 51-2 Кодекса Украины об административных правонарушениях.

• Электровелосипед
• Электроскутер
• Электромотоцикл
• Электроавтомобиль
• Необычный электротранспорт
• Аккумуляторы
• Аксесcуары
• Источники энергии
• Исторические факты
• Юмор
• Техобслуживание
• Тех. характеристики
• Блоги
• Новости компании

Устройство двигателя электромобиля

Электродвигатель – устройство, которое занимается преобразованием электроэнергии в механическую. Он работает, используя принцип электромагнитной индукции.В последнее время он все сильнее популяризируется на автомобильном рынке в качестве перспективного направления развития автопромышленности. Поэтому есть смысл подробнее ознакомиться с устройством электромобиля, его двигателя, за которым может быть будущее отрасли.

Принцип работы и устройство

Электродвигатель включает в себя статор и ротор. Вращающееся магнитное поле в статоре действует на обмотку ротора и наводит в нём ток индукции, возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор. Электроэнергия, поступающая на обмотки мотора, преобразуется в механическую энергию вращения.

Благодаря развитию технологии электродвигатели нашли применение в разных отраслях, например, автомобилестроении. Причем они способны использоваться либо отдельно, либо совместно с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Последний вариант – гибридные авто.

От электродвигателей, применяемых на производствах, агрегат для авто отличается малыми габаритами, но повышенной мощностью. К тому же современные разработки все больше отдаляют двигатели для автомобилей от иных подобных устройств. Характеристиками электромобилей являются не только показатели мощности, крутящего момента, но и частота вращения, ток и напряжение. Поскольку от этих данных зависит передвижение и обслуживание авто.

Виды

Чтобы лучше разобраться в многообразии, которое нам дарит авторынок, стоит рассмотреть существующие виды электродвигателей для электромобилей.

Их можно условно классифицировать по типу тока:

• устройства переменного тока;
• конструкции постоянного тока;
• решения универсального образца (способны функционировать от постоянного и переменного тока).

Электродвигатели переменного тока делятся на группы:

• асинхронные – скорость вращения магнитного поля статора выше скорости вращения ротора;
• синхронные – частоты вращения магнитного поля статора и ротора совпадают.

С учетом используемого количества фаз, электрические устройства разделяют на: одно-, двух-, трехфазные.

Если привести реальные образцы, используемые известными автопроизводителями, то хороший пример применения трехфазного агрегата асинхронного типа – Volt от Chevrolet. Он является гибридным автомобилем. Пример трехфазного синхронного двигателя — i-MiEV от Mitsubishi. А этот автомобиль является исключительно электрическим.

Силовая установка Chevrolet Volt

Следует отметить, что у разных производителей разные двигатели, отличающиеся массой, мощностью, габаритами и прочими параметрами.

Есть еще одна классификация – по конструкции щеточно-коллекторного узла. Такие агрегаты бывают:

• Бесколлекторными. Представляют собой замкнутую систему, в которую входят: преобразователь координат, инвертор и извещатель положения.
• Коллекторными. Щеточно-коллекторный узел играет роль в такой конструкции одновременно и извещателя положения ротора, и переключателя тока в обмотках. В основном используется ток постоянной частоты.

В конструкциях электромобилей зачастую задействуются коллекторные моторы, хотя есть примеры и с иными моделями. Как вариант — автомобиль «Санрейсер», в котором установлен как раз бесколлекторный двигатель от компании General Motors. При массе 3,6 кг его КПД составляет 92%.

Нельзя не отметить еще один тип двигателя, который используется в некоторых современных моделях авто. Это система мотор-колесо. Пример — спорт-кар Volage. В такой конструкции предусмотрена возможность регенерации энергии торможения. Для этого используется тяговый двигатель Active Wheel. Он весит всего 7 кг, что позволяет добиться приемлемой массы колеса – 11 кг.

Самой распространенной сегодня конструкцией является решение с питанием от аккумуляторной батареи. Она нуждается в регулярной зарядке, способной реализоваться за счет внешних источников, генератора в конструкции и рекуперации энергии торможения. Генератор действует от ДВС, поэтому такая схема работы уже не относится к чисто электрическим. Подобные машины называют гибридными.

Преимущества и недостатки электродвигателей

Выделим достоинства электрических агрегатов:

• высокий коэффициент полезного действия – до 95 процентов;
• компактность, малый вес;
• простота использования;
• экологичность;
• долговечность;
• создается максимальный показатель крутящего момента на любой отметке скорости;
• воздушное охлаждение;
• способны функционировать в режиме генератора;
• не нужна коробка передач;
• возможность рекуперации энергии торможения.

В качестве примера удачной разработки модели с высокими характеристиками можно привести мотор от Yasa Motors. Инженеры компании создали агрегат, который при весе 25 кг способен выдавать до 650 Нм крутящего момента.

Электродвигатель Yasa Motors

Что касается недостатков непосредственно электродвигателя, то их нет. Больше вопросов вызывает питание агрегата, что, собственно, и тормозит распространение, широкое использование технологии. Поэтому на данный момент большей популярностью пользуются гибридные авто, нежели электромобили. Благодаря такой схеме увеличивается запас хода, позволительно использовать менее мощные и дорогостоящие аккумуляторные батареи.

Устройство электромобиля

Если сравнивать электромобиль с авто, где используется ДВС, он характеризуется более простой схемой, минимальным числом движущихся элементов. Следовательно, такое решение является более надежным.

Главные составляющие электромобиля:

• непосредственно электродвигатель;
• питающая аккумуляторная батарея разной емкости, которая связана с мощностью мотора;
• упрощенная трансмиссия;
• инвертор;
• зарядное устройство на борту;
• электронная система управления элементами конструкции;
• преобразователь.

Питание мотора в этой схеме организовывает, конечно же, тяговая аккумуляторная батарея. Зачастую задействуется литий-ионный тип, включающий в себя несколько модулей, подключенных последовательно. На выходе аккумулятора формируется напряжение от 300 (В) постоянного тока. Это значение определяется моделью авто. Современные образцы способны создавать и 700 В. Пример – автомобили Lola-Drayson, разработанные для гонок. Они оснащаются батареями напряжением 700 (В) и емкостью 60 кВт⋅ч.

Для корректного взаимодействия емкость батареи подбирается с учетом мощности двигателя. Этот показатель в подавляющем большинстве конструкций составляет от 15 до 200 (кВт). Если сравнить электрический двигатель с ДВС, то у первого КПД составляет 95%, а у другого – 25%. Разница существенна.

Имеются примеры в автомобилестроении, когда в конструкции используется несколько агрегатов. Они могут приводить в движение определенные колеса. Такой принцип организации позволяет увеличить тяговую мощность авто. Двигатель, интегрированный в колесо, имеет массу преимуществ, однако такое устройство тягового электродвигателя характеризуется ухудшенной управляемостью транспортного средства. Поэтому разработчики продолжают вести активную деятельность в этом направлении.

Электродвигатель с редуктором (вид снизу)

Что касается трансмиссии, то у электромобиля она имеет упрощенный вид. Многие конструкции оснащены одноступенчатым редуктором. Благодаря инвертору происходит преобразование высокого напряжения постоянного тока батареи. За счет наличия в конструкции бортового зарядного устройства гарантируется зарядка аккумулятора от электросети бытового назначения.

Обеспечением зарядки дополнительной батареи на 12 (В) занимается преобразователь. Эта батарея задействуется в качестве питающего элемента различных устройств транспортного средства:

• аудиосистемы;
• климат-контроля;
• освещения;
• отопительной системы;
• прочих элементов.

Система управления организовывает такие процессы:

• мониторинг используемой энергии;
• управление рекуперацией энергии торможения;
• оценка уровня заряда;
• управление динамикой движения;
• обеспечение необходимого режима перемещения транспортного средства;
• регулировка тяги;
• управление напряжением.

Система объединяет блок управления, датчики и прочие элементы других систем авто. Благодаря датчикам оценивается уровень давления в тормозной системе, разряда батареи, а также положение селектора переключения передач, тормозной педали и педали газа. По данным этих устройств обеспечивается оптимальное перемещение электромобиля с учетом текущих условий. На панели приборов традиционно отображаются основные показатели функционирования транспортного средства.

панель приборов Tesla

Внешне электромобиль не имеет отличий от традиционного автомобиля с ДВС, однако основные расхождения находятся в области эксплуатации: высокая стоимость, необходимость длительной зарядки, ограниченный ход. Поэтому устройство электромобиля имеет определенные расхождения с составом традиционного транспортного средства.

Высокая стоимость авто формируется в основном из-за цены на аккумуляторы, которые еще и имеют небольшой срок службы – до 7 лет. Это вынуждает специалистов искать новые решения для совершенствования технологии: литий — полимерные батареи, суперконденсаторы, топливные составляющие и прочие.

Затраты на содержание электромобиля зачастую ниже, чем авто с ДВС, особенно в тех государствах, где стоимость электроэнергии низкая.

Слабым местом электромобиля является также невысокий уровень автономного функционирования, вызванный коротким километражем без подзарядки. Этот параметр определяется многими факторами:

• стилем вождения;
• условиями и скоростью передвижения;
• емкостью используемых аккумуляторов;
• уровнем использования дополнительного оборудования.

К примеру, при скорости 80 км/ч средний показатель дальности передвижения электрического транспортного средства составит около 140 км. Если же повысить скорость до 120 км/ч, этот показатель резко упадет до 80 км. Благодаря внедрению систем рекуперативного торможения степень автономности может повышаться до показателя в 300 км и более.

Как отмечалось, зарядка аккумулятора требует много времени, поэтому этот недостаток решается несколькими подходами:

• замена батареи на заряженную (услугу могут предоставлять на специальных станциях);
• ускоренная зарядка – за полчаса может зарядиться 80% емкости аккумулятора;
• нормальный режим – продолжительность зарядки может составить 8 часов.

Устройство и особенности гибридных систем

Применение гибридных автомобилей не только имеет свои преимущества, например, экологические, но и преследует определенные цели действующих игроков автомобильного рынка. Компании намерены сохранить налаженное конвейерное производство двигателей внутреннего сгорания. А постоянное ужесточение норм выброса вредных веществ – лишнее тому подтверждение.

По сути, гибридные системы подразумевают использование электродвигателя как дополнительного элемента, который способствует повышению мощности и экономии топлива. Ведь все подобные машины начинают движение именно благодаря ДВС.

Гибридные системы условно можно разделить на подвиды:

• Интегрированное содействие мотору.
• Интегрированный генератор стартера. Система, как и предыдущая, позволяет начинать движение машине, только в этом случае используется меньший электродвигатель.
• Система остановки/старта двигателя. Происходит отключение мотора, когда его мощность не используется, а затем он запускается моментально, как только это необходимо.

Различают также три вида «гибридов»:

• Параллельный. В этом случае батареи передают энергию электродвигателю, а бак – топливо для ДВС. Оба агрегата способны создать условия для перемещения транспортного средства.
• Последовательный. ДВС поворачивает генератор, который может или завести электродвигатель, или зарядить аккумуляторы.
• Последовательно-параллельная. ДВС, электродвигатель и генератор соединены с колёсами через планетарный редуктор.

Большинство существующих сейчас гибридных автомобилей относятся к параллельным. Хорошим решением является транспортное средство с подзарядкой. Оно открывает новые эксплуатационные возможности, нивелируя недостаток ограниченности пробега. При исчерпании заряда аккумулятора в работу вступает ДВС малой мощности.

Гибридная система существенно снижает уровень выводимых газов и увеличивает продуктивность расхода топлива, что особо актуально в условиях крупного населенного пункта. А рекуперативная система аккумулирует энергию.

Управление гибридным транспортным средством похоже на управление обычным автомобилем с автоматической коробкой передач. Только в этом случае обеспечивается низкий уровень шума, лучшая управляемость и повышенная мощность. При этом не нужно специально подзаряжать аккумуляторную батарею, это происходит при работе автомобиля.

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях

Судя по текущим тенденциям, мировые лидеры автомобильной промышленности, политики и другие влиятельные лица всерьез взялись за то, чтобы развивать отрасль производства электрических автомобилей. Это видно по регулярно внедряемым нормам, которые постоянно повышают планку по выбросу максимального уровня вредных газов в атмосферу, и по мощной рекламной кампании, которая развернулась в медиапространстве в поддержку такого типа транспортных средств. В развитых странах с каждым годом растет количество заправочных станций, обеспечивающих зарядку электромобилей.

Поэтому открываются большие возможности инженерам для развития отрасли. И для этого есть два основных направления – адаптировать серийные автотранспортные средства или вести разработку новых моделей. Конечно, менее затратным мероприятием является усовершенствование существующих моделей.

Как раз европейские специалисты и занимаются улучшением нынешних гибридных двигателей, в то время как японские компании занялись совершенствованием обычного двигателя. Им удалось увеличить степень сжатия. При этом состав топлива остался неизменным.

В свою очередь, немецкие разработчики установили небывалый рекорд. Созданному электромобилю удалось проехать без подзарядки целых 600 км. Для автомобилей с ДВС это не показатель, однако электромобили могут похвастаться теперь и такими возможностями.

Дело в том, что даже Tesla, ведущий участник рынка, ещё не создал легкий аккумулятор, который смог вытянуть это расстояние. А в этом случае разработчикам удалось достичь показателя в 600 км.

Автомобиль проехал расстояние между двумя немецкими городами – Мюнхеном и Берлином. Его средняя скорость передвижения по трассе составила около 90 км/ч. Установление подобного рекорда стало возможным благодаря плодотворной работе предприятия DBM Energy, которое в тесном сотрудничестве с Lekker Energie создало такое решение.

В электромобиле была установлена аккумуляторная батарея емкостью 115 кВт/ч. Благодаря этому транспортное средство способно увеличивать мощность до 55 кВт, что отвечает приблизительно объему 1,4 Л для бензинового двигателя. Эффективность такой батареи доказывает установка в погрузчик, который способен увеличить время своей работы в четыре раза, если сравнивать действия с обычным аккумулятором. Именно этот емкостный агрегат был установлен на немецкий автомобиль Audi A2.

Может сложиться впечатление, что автомобиль «пустой», однако это не так. Организаторы эксперимента оснастили его всем необходимым: кондиционером, усилителем руля, аудиосистемами, системами безопасности и даже подогревом сидений. Поэтому потребление энергии, кроме перемещения, требовалось для выполнения и других функций.

Как стало известно, подобная технология находится на рассмотрении министерства экономики Германии, поэтому вполне возможно, что уже в скором времени эта отрасль получит новый толчок. Уже есть планы, по которым к 2020 году правительство страны намеревается достичь показателя в один миллион электрических автомобилей на европейских дорогах. Причем это не только транспортные средства личного пользования, но и другого назначения.

К тому же один из менеджеров компании Lekker Energie сообщил, что используемый аккумулятор на автомобиле А2 способен обеспечить общий пробег на уровне 500 тысяч километров.

Есть и еще один рекорд в этом направлении, поставленный Japan Electric Vehicle Club. Однако он касается чистого эксперимента. Это значит, что для повседневного использования такой электрокар не приспособлен. В результате японцам удалось побить рекорд – 1 тыс. км без подзарядки.

Какие бы разработки не велись в этой области, они сводятся к тому, что их должны поддержать гиганты автомобильной промышленности. Только им под силу внедрить достойное новшество, распространяя его по всему миру, создавая необходимую инфраструктуру, сервис и прочие необходимые средства. Все это требует больших затрат, поэтому предложенная идея может быть воплощена в жизнь, если расчеты по ее реализации дадут действительно существенную прибыль и установят новую планку стандартов на мировом рынке.

Тем не менее, учитывая текущее положение вещей, вряд ли стоит предполагать, что уже очень быстро электромобили займут свою большую нишу в автомобилестроении. И важный фактор, притормаживающий прогресс — психология человека. Очень непросто переубедить автомобилистов пересесть с бензиновых и дизельных автомобилей на электрические. Это особенно сложно сделать тем, кто занимается автогонками или является любителем динамичной езды.

Электромобиль Tesla Model S

Но тенденция к изменению отношения к такому явлению, как электрокар, уже проявляется. Сегодня все больше подобных автомобилей можно встретить на дорогах не только Европы, но и России. Пусть их еще немного, но их дополняют бесплатные зарядные станции в некоторых странах, позволяющие перемещаться на большие расстояния. Поэтому электрический транспорт постепенно становится естественным участником дорожного движения, закладывая фундамент новой эры машиностроения.

Двигатель электрический для электромобиля, прошлое, настоящее и будущее

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 заводом «Дукс» 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.

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.

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.

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).

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.