Пробно шофиране на синхронен двигател: какво означава това?

Електрическите автомобили все още са засенчени от развитието на батериите

Бързото развитие на хибридни задвижвания и безпрецедентният напредък през последните години в областта на електрическите превозни средства са основният акцент в развитието на батерийните технологии. Те изискват максимални ресурси от разработчиците и са най-голямото предизвикателство за дизайнерите. Не бива обаче да се подценява фактът, че напредъкът в развитието на усъвършенстваните литиево-йонни технологии е придружен от значителен напредък в областта на регулирането на мощността на електрическите токове и електрическите двигатели. Оказа се, че макар електрическите двигатели да имат висока ефективност, те имат сериозно поле за развитие.

Дизайнерите очакват тази индустрия да расте с изключително високи темпове, не само защото електрическите превозни средства стават все по-често срещани, но и защото електрификацията на превозните средства с гориво е важен елемент от нивата на емисии, определени в Европейския съюз.

Въпреки че електрическият мотор има древна история, днес дизайнерите са изправени пред нови предизвикателства. Електродвигателите, в зависимост от предназначението, могат да имат тесен дизайн и голям диаметър или малък диаметър и дълго тяло. Тяхното поведение при чисто електрическите превозни средства се различава от това при хибридите, където трябва да се вземе предвид топлината, генерирана от двигателя с вътрешно горене. За електрическите превозни средства диапазонът на скоростите е по-широк и тези, инсталирани в паралелна хибридна система в трансмисията, трябва да бъдат оптимизирани да работят в рамките на скоростта на двигателя с вътрешно горене. Повечето машини работят на високо напрежение, но 48-волтовите електрически машини ще стават все по-популярни.

Защо AC двигатели

Въпреки факта, че източникът на електричество в лицето на батерията е постоянен ток, в момента дизайнерите на електрически системи не мислят за използване на електрически двигатели с постоянен ток. Дори при загуби от преобразуване, променливотоковите единици, особено синхронните, превъзхождат DC единиците. Но какво всъщност означава синхронен или асинхронен двигател? Ще ви запознаем с тази част от автомобилния свят, защото докато електрическите автомобили отдавна съществуват в автомобилите под формата на стартери и алтернатори, наскоро в тази област бяха въведени напълно нови технологии.

Toyota, GM и BMW сега са едни от малкото производители, които сами са поели разработката и производството на електродвигатели. Дори дъщерното дружество на Toyota Lexus доставя тези устройства на друга компания, японската Aisin. Повечето компании разчитат на доставчици като ZF Sachs, Siemens, Bosch, Zytec или китайски компании. Очевидно бързото развитие на този бизнес позволява на такива компании да се възползват от партньорства с производителите на автомобили. Що се отнася до технологичната страна на нещата, в днешно време за нуждите на електрически превозни средства и хибриди се използват главно синхронни двигатели с променлив ток с външен или вътрешен ротор.

Възможността за ефективно преобразуване на батерии с постоянен ток в трифазен променлив ток и обратно, до голяма степен се дължи на напредъка в технологията за управление. Но сегашните нива в силовата електроника достигат в пъти по-високи нива от тези в битовата електрическа мрежа и често надвишават 150 ампера. Това генерира много топлина, с която трябва да се справи силовата електроника. В момента обемът на електронните контролни устройства все още е голям, тъй като електронните полупроводникови контролни устройства не могат да бъдат намалени с магическа пръчка.

Както синхронните, така и асинхронните двигатели са вид електрически машини с въртящо се магнитно поле, които имат по-висока плътност на мощността. Като цяло роторът на асинхронния двигател се състои от прост пакет от твърди листове с късо свързани намотки. Токът протича в намотките на статора в противоположни двойки, като във всяка двойка протича ток от една от трите фази. Тъй като във всяко от тях то е изместено във фаза със 120 градуса спрямо другото, се получава така нареченото въртящо се магнитно поле. Това от своя страна индуцира магнитно поле в ротора, а взаимодействието между две магнитни полета - въртящо се в статора и магнитното поле на ротора, води до увличане на последното и последващо завъртане. При този тип електродвигатели обаче роторът винаги изостава от полето, защото ако няма относително движение между полето и ротора, то няма да индуцира магнитно поле в ротора. По този начин нивото на максимална скорост се определя от честотата на захранващия ток и товара. Въпреки това, поради по-високата ефективност на синхронните двигатели, повечето производители се придържат към тях.

Синхронни двигатели

Тези агрегати имат значително по-висока ефективност и плътност на мощността. Значителна разлика от асинхронния двигател е, че магнитното поле в ротора не се създава при взаимодействие със статора, а е резултат или от тока, протичащ през допълнителните намотки, инсталирани в него, или от постоянни магнити. По този начин полето в ротора и полето в статора са синхронни, а максималната скорост на двигателя също зависи от въртенето на полето, съответно от честотата на тока и товара. За да се избегне необходимостта от допълнително захранване на намотките, което увеличава консумацията на енергия и усложнява текущото регулиране в съвременните електрически превозни средства и хибридни модели, се използват електрически двигатели с така нареченото постоянно възбуждане, т.е. с постоянни магнити. Както вече споменахме, почти всички производители на такива автомобили в момента използват агрегати от този тип, поради което, според много експерти, все още ще има проблем с недостига на скъпи редки земни елементи неодим и диспрозий. Синхронните двигатели се предлагат в различни разновидности и смесени технологични решения като BMW или GM, но ние ще ви разкажем повече за тях.

строителство

Чисто електрическите двигатели на превозни средства обикновено са свързани директно към диференциала на задвижващия мост и мощността се прехвърля към колелата чрез полуоси, намалявайки механичните загуби при трансмисията. С това разположение под пода центърът на тежестта е намален и цялостният блоков дизайн става по-компактен. Ситуацията е съвсем различна при оформлението на хибридните модели. За пълни хибриди като единичен режим (Toyota и Lexus) и двоен режим (Chevrolet Tahoe), електрическите двигатели са свързани по някакъв начин с планетарните предавки в хибридното задвижване, като в този случай компактността изисква техният дизайн да бъде по-дълъг и по-малък диаметър. При класическите паралелни хибриди изискването за компактност означава, че възелът, който пасва между маховика и скоростната кутия, е с по-голям диаметър и е сравнително плосък, като производители като Bosch и ZF Sachs дори залагат на дисковидна конструкция на ротора. Има и варианти на ротора - докато Lexus LS 600h има въртящ се елемент отвътре, някои модели на Mercedes имат въртящ се ротор отвън. Последната конструкция е изключително удобна и в случаите, когато електродвигателите са монтирани в главините на колелата.

Текст: Георги Колев