Если вы заинтересованы в глубоком погружении в технологию двигателей внутреннего сгорания, вы должны быть готовы к тому, что вас засыпают множеством различных концепций. Двигатели без наддува, двигатели с турбонаддувом, непосредственный впрыск, непрямой впрыск или и прямой, и непрямой впрыск! Бензин, дизельное топливо, сжатый природный газ, сжиженный нефтяной газ, цикл Аткинсона, цикл Миллера, цикл Будака, дизель и цикл Отто (см. двигатель Mazda Skyactiv-X), турбонаддув с фиксированной геометрией, турбонаддув с изменяемой геометрией, турбонаддув с двойной прокруткой, регулируемые фазы газораспределения… список можно продолжать.
Почти автоматически возникает вопрос: почему у нас так много конструкций и концепций двигателей внутреннего сгорания? Ответ прост – потому что ни один из них не является достаточно хорошим с точки зрения эффективности. В поисках повышения эффективности на протяжении всей истории автомобилестроения инженерами было предложено множество разработок. Актуально ли такое разнообразие конструкций и для электродвигателей? Сколько типов двигателей используется в электронной мобильности? Ответ всего 3 основных. Давайте познакомимся с ними.
Асинхронный асинхронный двигатель – Краткий урок истории
Асинхронный асинхронный двигатель не является чем-то новым. Его изобрели два независимых исследователя — единственные и неповторимые Никола Тесла и Галилео Феррарис. Несмотря на то, что итальянский изобретатель впервые разработал этот двигатель в 1885 году, Никола Тесла первым подал заявку на патент в 1888 году.
Изобретение асинхронного двигателя, без сомнения, является одним из величайших достижений в использовании электричества для обеспечения нашей жизни. В наши дни использование этого типа двигателей настолько широко распространено, что без него очень сложно представить повседневную жизнь. Многие электрические устройства используют эти двигатели, и подавляющее большинство промышленных двигателей относятся к асинхронному индукционному типу.
Как работает асинхронный асинхронный двигатель?
Все электродвигатели состоят из двух основных частей. Статическая часть называется статором, а вращающаяся часть — ротором. Начнем со статора — обычно это стальной цилиндр с пазами и медными катушками, сплетенными с определенной геометрией. На эти катушки подается трехфазный переменный ток, который преобразуется из постоянного тока (обеспечиваемого аккумулятором) в силовой электронике. Этот ток создает вращающееся магнитное поле в статоре, и скорость этого вращающегося магнитного поля называется синхронной скоростью.
По сути, вот как работает этот тип двигателя: переменное напряжение подается на медные катушки (или обмотки), и в результате мы получаем вращающееся магнитное поле, это поле индуцирует напряжение в роторе, что, в свою очередь, вызывает протекание тока. Этот поток тока создает в роторе собственное вращающееся магнитное поле, которое отстает от магнитного поля статора. Сила между двумя магнитными полями, которые в конечном итоге приводят в движение ротор, называется силой Лоренца. Затем движение ротора передается на колеса автомобиля посредством соответствующего редуктора.
Этот двигатель называется асинхронным, потому что вращающееся магнитное поле ротора и статора не синхронизировано. Индукционная часть возникает из-за вращающегося магнитного поля, напряжения и тока, индуцируемых статором. Когда мы нажимаем педаль акселератора, магнитное поле ротора немного отстает от поля статора. Когда мы замедляемся и двигатель работает как генератор (регенеративное торможение), то вращающееся магнитное поле ротора опережает статор. Эта разница во вращающихся магнитных полях называется «скольжением» и обычно составляет до 5% в зависимости от конструкции двигателя.
Типичный КПД трехфазного асинхронного двигателя, используемого в автомобильной промышленности, составляет около 90%. Благодаря своей надежности, простоте, долговечности и отсутствию требований к экзотическим материалам этот двигатель используется почти исключительно в промышленных процессах. Кроме того, его хорошие перегрузочные характеристики делают его идеальным двигателем для работы по требованию, поэтому его часто используют в качестве переднего двигателя в электромобилях с полным приводом.
Некоторые автомобили, использующие асинхронные асинхронные двигатели: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, передние оси XandYon и автомобили VW Group MEB также используют их на передних осях.
Синхронный двигатель с постоянными магнитами
Фундаментальное различие между асинхронными асинхронными двигателями и синхронными двигателями с постоянными магнитами заключается в способе создания и взаимодействия вращающихся магнитных полей в роторе и статоре. В синхронных двигателях с постоянными магнитами в роторе имеется собственное вращающееся магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами (отсюда и название двигателя). Вращающиеся магнитные поля ротора и статора в этих двигателях заблокированы и скольжения нет.
Постоянные магниты в роторе являются одним из ключевых элементов, увеличивающих удельную мощность и улучшающих эффективность двигателя. Повышенная удельная мощность означает большую мощность при небольшом объеме, поэтому двигатели с постоянными магнитами используются исключительно в PHEV. Электродвигатель в этих автомобилях расположен в коробке передач, и пространство ограничено.
Постоянные магниты изготавливаются из редкоземельных материалов, большинство из которых контролируется Китаем. Есть вопросы по поводу этических аспектов процесса добычи полезных ископаемых, и по этой причине многие производители стараются сократить использование этих материалов в своих двигателях. Тем не менее, синхронный двигатель на постоянных магнитах является королем КПД – он может достигать 94-95%, а когда в автомобиле всего один двигатель, то используется именно этот тип двигателя.
Двигатели с постоянными магнитами используются в Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, XandY на задних мостах. Автомобили VW Group MEB также используют их на задних осях, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT и Porsche Tay — это лишь некоторые из них.
Синхронный двигатель с электрическим возбуждением
Синхронные двигатели с постоянными магнитами обеспечивают самый высокий КПД, однако их зависимость от редкоземельных элементов вызывает обеспокоенность. Чтобы решить эту проблему, такие производители, как BMW, RenaultGroupe и Smart, обратились к гибридной архитектуре двигателей — синхронным двигателям, которые не используют редкоземельные магниты.
Как работают эти машины? Вместо использования постоянных магнитов в роторе для создания магнитного потока они используют щетки и контактные кольца. По данным BMW, такой двигатель обеспечивает КПД до 93%, что очень близко к КПД двигателей с постоянными магнитами. Хотя концепция выглядит многообещающе, наличие щеток означает, что со временем им потребуется замена. Будем надеяться, что производители, разрабатывающие этот тип мотора, выберут щетки с достаточно длительным сроком службы.
Такая конструкция двигателя используется в BMW iX3, iX и i4; Renault MeganeE-TECH; и умный эквалайзер.
