В Германии создали автомобильный электродвигатель без постоянных магнитов — дешевле, экономичнее и эффективнее

В Германии создали автомобильный электродвигатель с масляным охлаждением — его сложно перегреть даже при жёсткой эксплуатации

Как работает электродвигатель в автомобиле

Трехфазный четырехполюсный асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор состоит из трех частей: сердечника статора, токопроводящего провода и каркаса. Сердечник статора представляет собой группу стальных колец, изолированных друг от друга, а затем склеенных между собой.
Внутри этих колец есть прорези, вокруг которых наматывается токопроводящий провод, образуя катушки статора. Проще говоря, в трехфазном асинхронном двигателе есть три разных типа проводов. Вы можете назвать эти типы проводов Фаза 1, Фаза 2 и Фаза 3.
Провода каждого типа наматываются на пазы на противоположных сторонах внутренней части сердечника статора. Как только токопроводящий провод находится внутри сердечника статора, сердечник помещается в раму.

Как работает электродвигатель?

Из-за сложности темы ниже приводится упрощенное объяснение того, как четырехполюсный трехфазный асинхронный двигатель переменного тока работает в автомобиле. Он начинается с аккумулятора в автомобиле, который подключен к двигателю. Электроэнергия подается на статор через автомобильный аккумулятор. Катушки внутри статора (сделанные из проводящего провода) расположены на противоположных сторонах сердечника статора и действуют как магниты. Поэтому, когда электрическая энергия от автомобильного аккумулятора подается на двигатель, катушки создают вращающиеся магнитные поля, которые тянут за собой проводящие стержни снаружи ротора. Вращающийся ротор создает механическую энергию, необходимую для вращения шестерен автомобиля, которые, в свою очередь, приводят во вращение шины. Теперь в типичном автомобиле, т. е. неэлектрическом, есть и двигатель, и генератор. Аккумулятор питает двигатель, который питает шестерни и колеса. Вращение колес — это то, что затем приводит в действие генератор в автомобиле, а генератор заряжает аккумулятор. Вот почему вам советуют некоторое время ездить на машине после прыжка: аккумулятор необходимо перезарядить, чтобы он функционировал должным образом. В электромобиле нет генератора.
Так как тогда заряжается батарея? Хотя отдельного генератора переменного тока нет, двигатель в электромобиле действует как двигатель и генератор переменного тока.

Рис. 1. Термин «переменный ток» определяет тип электричества, характеризующийся напряжением и током, которые изменяются во времени.

Это связано с переменным характером сигнала переменного тока, который позволяет легко повышать или понижать напряжение до различных значений. Это одна из причин, по которой электромобили настолько уникальны.
Как упоминалось выше, аккумулятор запускает двигатель, который подает энергию на шестерни, вращающие колеса. Этот процесс происходит, когда ваша нога находится на педали акселератора — ротор притягивается вращающимся магнитным полем, что требует большего крутящего момента. Но что происходит, когда вы отпускаете акселератор? Когда ваша нога отпускает педаль акселератора, вращающееся магнитное поле останавливается, и ротор начинает вращаться быстрее (в отличие от магнитного поля). Когда ротор вращается быстрее, чем вращающееся магнитное поле в статоре, это действие перезаряжает батарею, действующую как генератор переменного тока.

Переменный ток и постоянный ток

Концептуальные различия между этими двумя типами тока должны быть очевидны; в то время как один ток (постоянный) постоянен, другой (переменный) более прерывистый. Однако все немного сложнее, чем простое объяснение, поэтому давайте разберем эти два термина более подробно.

Постоянный ток (DC)

Непрерывный ток относится к постоянному и однонаправленному электрическому потоку. Кроме того, напряжение сохраняет полярность во времени. Фактически, на батареях четко обозначены положительные и отрицательные полюса. Они используют постоянную разность потенциалов для создания тока всегда в одном и том же направлении. В дополнение к батареям, топливным элементам и солнечным батареям, скольжение между конкретными материалами также может производить постоянный ток.

Переменный ток (AC)

Термин «переменный ток» определяет тип электричества, характеризующийся напряжением (например, давлением воды в шланге) и силой тока (например, скоростью потока воды через шланг), которые изменяются во времени ( рисунок 1). Когда напряжение и ток сигнала переменного тока изменяются, они чаще всего следуют синусоидальной форме. Из-за того, что форма волны представляет собой синусоидальную волну, напряжение и ток чередуются между положительной и отрицательной полярностью при просмотре с течением времени. Синусоидальная форма сигналов переменного тока обусловлена ​​тем, как генерируется электричество.
Еще один термин, который вы можете услышать при обсуждении переменного тока, — это частота. Частота сигнала — это количество полных волновых циклов, совершенных за одну секунду времени. Частота измеряется в герцах (Гц), а в Соединенных Штатах стандартная частота электросети составляет 60 Гц. Это означает, что сигнал переменного тока колеблется со скоростью 60 полных возвратно-поступательных циклов каждую секунду.

Почему это важно?

Электричество переменного тока — лучший способ передачи полезной энергии от источника генерации (например, плотины или ветряной мельницы) на большие расстояния.

Рис. 2. Многофазная система использует несколько напряжений для сдвига фаз отдельно друг от друга, чтобы намеренно выйти из строя.

Это связано с переменным характером сигнала переменного тока, который позволяет легко повышать или понижать напряжение до различных значений. распределительный трансформатор, который подает электроэнергию в район (эти цилиндрические серые коробки, которые вы видите на опорах линий электропередач), может иметь напряжение до 66 кВА (66 000 вольт переменного тока).
Энергия переменного тока позволяет нам создавать генераторы, двигатели и системы распределения электроэнергии, которые намного более эффективны, чем постоянный ток, поэтому переменный ток является наиболее популярным источником энергии для питания приложений.

Как работает трехфазный четырехполюсный асинхронный двигатель?

Большинство крупных промышленных двигателей — это асинхронные двигатели, которые используются для питания дизельных поездов, посудомоечных машин, вентиляторов и многих других устройств. Однако что именно означает «асинхронный двигатель»?
С технической точки зрения это означает, что обмотки статора индуцируют ток, протекающий по проводникам ротора.
Проще говоря, это означает, что двигатель запускается, потому что электричество индуцируется в ротор магнитными токами, а не прямым подключением к электричеству, как в других двигателях, таких как коллекторный двигатель постоянного тока.
Что означает полифаза? Всякий раз, когда у вас есть статор, содержащий несколько уникальных обмоток на полюс двигателя, вы имеете дело с многофазностью (рис. 2).
Чаще всего предполагается, что многофазный двигатель состоит из трех фаз, но есть двигатели, использующие две фазы. А многофазная система использует несколько напряжений для сдвига фаз отдельно от каждого, чтобы намеренно выйти из строя.

Рис. 3. Три фазы относятся к токам электрической энергии, которые подаются на статор через автомобильный аккумулятор.

Что означает трехфазный ? Основываясь на основных принципах Николы Теслы, определенных в его многофазном асинхронном двигателе, представленном в 1883 году, «три фазы» относятся к токам электрической энергии, которые подаются на статор через аккумулятор автомобиля (рис. 3).
Эта энергия приводит к тому, что катушки проводящего провода начинают вести себя как электромагниты. Простой способ понять три фазы — рассмотреть три цилиндра в форме буквы Y, использующие энергию, направленную к центральной точке, для выработки энергии. По мере создания энергии ток течет в пары катушек внутри двигателя таким образом, что он естественным образом создает северный и южный полюс внутри катушек, позволяя им действовать как противоположные стороны магнита.

Лучшие электромобили

По мере того, как эта технология продолжает развиваться, производительность электромобилей начинает быстро догонять и даже превосходить их бензиновые аналоги. Хотя до электромобилей еще далеко, скачки, которые сделали такие компании, как Tesla и Toyota, вселили надежду на то, что будущее транспорта больше не будет зависеть от ископаемого топлива. На данный момент мы все знаем об успехе, который Tesla добилась в этой области, выпустив седан Tesla Model S, который способен проезжать до 288 миль, развивать скорость до 155 миль в час и имеет крутящий момент 687 фунт-футов.
Тем не менее, есть десятки других компаний, которые добились значительного прогресса в этой области, например, Ford Fusion Hybrid, Toyota Prius и Camry-Hybrid, Mitsubishi iMiEV, Ford Focus, BMW i3, Chevy Spark и Mercedes B-Class Electric. (рис. 4).

Электромобили и окружающая среда

Электрические двигатели воздействуют на окружающую среду как напрямую , так и косвенно на микро- и макроуровне. Это зависит от того, как вы хотите воспринимать ситуацию и сколько энергии вы хотите. С индивидуальной точки зрения, электромобилям не требуется бензин для работы, что приводит к тому, что автомобили без выбросов заполняют наши дороги и города. Хотя это создает новую проблему, связанную с дополнительным бременем производства электроэнергии, это снижает нагрузку на миллионы автомобилей, густонаселяющих города и пригороды, и выбрасывающие в воздух токсины (рис. 5).
Примечание. Значения MPG (миль на галлон), указанные для каждого региона, представляют собой комбинированный рейтинг экономии топлива в городе/шоссе для бензинового транспортного средства, которое будет иметь глобальное потепление, эквивалентное вождению электромобиля. Региональные рейтинги выбросов глобального потепления основаны на данных электростанций за 2012 год из базы данных EPA eGrid 2015. Сравнения включают выбросы при производстве бензина и электроэнергии. Средний показатель расхода топлива в 58 миль на галлон в США — это средневзвешенное значение продаж, основанное на том, где электромобили были проданы в 2014 году. С крупномасштабной точки зрения рост электромобилей дает несколько преимуществ.

Рис. 5. Значения количества миль на галлон для каждого региона страны представляют собой комбинированный рейтинг экономии топлива в городе/шоссе для автомобиля с бензиновым двигателем, который в условиях глобального потепления был бы эквивалентен вождению электромобиля.

Во-первых, снижается шумовое загрязнение, поскольку шум, издаваемый электрическим двигателем, намного тише, чем шум двигателя, работающего на газу. Кроме того, поскольку электрические двигатели не требуют такого же типа смазочных материалов и технического обслуживания, как газовый двигатель, количество химикатов и масел, используемых в автосервисах, будет сокращено из-за меньшего количества автомобилей, нуждающихся в проверках.

Заключение

Электрический двигатель меняет ход истории так же, как паровой двигатель и печатный станок изменили прогресс. Хотя электрический двигатель не прокладывает новые пути в том же ключе, что и эти изобретения, он открывает совершенно новый сегмент транспортной отрасли, который ориентирован не только на стиль и производительность, но и на внешнее воздействие . Таким образом, хотя электрический двигатель может и не реформировать мир из-за внедрения какого-то совершенно нового изобретения или создания нового рынка, он переопределяет то, как мы, как общество, определяем прогресс. Если больше ничего не выйдет из достижений с электрическим двигателем, по крайней мере, мы можем сказать, что наше общество продвинулось вперед благодаря нашему осознанию нашего воздействия на окружающую среду. Это новое определение прогресса, определяемое электрическим двигателем.
(Джилл Скотт)

Эволюция двигателей электромобилей только начинается

Когда автомобильная промышленность направляет свои разработки на компонент, этот элемент обычно становится меньше, легче, проще, мощнее и эффективнее.

Это происходит сейчас с электродвигателем.

04 декабря 2022 г. 00:00

{{/содержание}}

AUTOMOTIVE NEWS ILLUSTRATION

По мере того, как электродвигатель начинает заменять двигатель внутреннего сгорания, автопроизводители и поставщики спешат найти способы снизить стоимость, вес и трение в двигателе и приводе, одновременно улучшая силовую электронику автомобиля. Эффективность трансмиссии электромобиля является ключом к прибыльности.

Примечание редактора: японский поставщик Aisin производит тяговые двигатели для гибридов и электромобилей. Более ранняя версия этой истории говорила об обратном.

Когда речь идет об электромобилях, эффективность стоит денег.

Даже повышение эффективности на 2 или 3 процента может сэкономить автопроизводителям сотни долларов на каждый электромобиль, приближая их к паритету затрат с автомобилями внутреннего сгорания и, что более важно, повышая рентабельность.

Когда автомобильная промышленность тренирует свои разработки продукта на компоненте, этот элемент обычно становится меньше, легче, проще, мощнее и эффективнее. Часто компонент проходит через это преобразование с меньшими затратами, поскольку инженеры находят способы уменьшить содержание драгоценных металлов и другого сырья и повысить эффективность производства.

Automotive News Daily Drive · 5 декабря 2022 г. | результаты выборов СРА; Эволюция электродвигателей

Вот что сегодня происходит с электродвигателем, который только начинает свой путь в автомобиле, который, вероятно, будет очень долгим.

«Все дело в потерях в двигателе, и сейчас мы находимся только в начале пути оптимизации этого и управления двигателем», — сказал Automotive News президент General Motors Марк Ройсс.

В октябре компания Bosch открыла новый завод по производству электродвигателей в Чарльстоне, Южная Каролина

GM, как и практически все другие автопроизводители и большинство поставщиков, вкладывает деньги в разработку электродвигателей. Цель состоит не только в том, чтобы заставить их работать более эффективно при меньшей мощности и использовать меньше редкоземельных магнитов и меди, но и в снижении производственных затрат.

«Как отрасль, мы можем учиться друг у друга, что мы всегда делаем очень хорошо», — сказал Ройсс на мероприятии в октябре, представляя ультра-роскошный Cadillac Celestiq с батарейным питанием.

Tula Technologies, стартап из Кремниевой долины, который создал современную систему отключения цилиндров, используемую в больших пикапах и внедорожниках GM, близок к совершенствованию стратегии энергосбережения под названием Dynamic Motor Drive для электромобилей. Он подает электричество на двигатель, эффективно включая и выключая его тысячи раз в секунду.

Установив дифференциал внутри ротора, инженерам Lucid удалось уменьшить размер и вес электропривода роскошного седана Air.

Джон Фюрст, старший вице-президент Dynamic Motor Drive и инженерно-технического отдела Тулы, объяснил, что может означать повышение эффективности на 3% для Chevrolet Bolt. Тула тестирует парк Болтов с Dynamic Motor Drive.

«То, как промышленность на самом деле смотрит на процентные выгоды, — это стоимость батареи за киловатт-час. Насколько велика ваша батарея? И прямо в нашем Bolt это батарея стоимостью 7200 долларов. у вас на 216 баксов меньше», — сказал Фюрст.

Автопроизводители борются за экономию десяти центов и четвертаков. Экономить в сотни раз трудно, поэтому идет гонка по совершенствованию электродвигателей и управляющей ими силовой электроники.

Обновление устаревшей технологии

Электродвигателю почти 200 лет. В транспорте электродвигатели приводят в действие все, от скутеров до локомотивов. Но главным образом из-за большого количества энергии, содержащейся в бензине, и его низкой стоимости по сравнению с другими видами топлива, электродвигатель — за исключением гибридов, таких как Toyota Prius и Chevrolet Volt — в автомобилях за последнее время видел лишь урывки. 120 или около того лет.

До сих пор это не позволяло оптимизировать электродвигатель для уникальных требований легковых автомобилей. Ситуация, конечно, меняется, поскольку автопроизводители стремятся заменить автомобили с двигателями внутреннего сгорания электромобилями.

Кессельгрубер: путь недолгий

Дирк Кессельгрубер, президент ePowertrains в GKN, британском поставщике, наиболее известном своими осями и карданными валами, считает, что разработка электродвигателей будет происходить намного быстрее, чем разработка двигателя внутреннего сгорания, который постоянно совершенствуется. уже более века.

«Я не думаю, что электродвигатель сможет проделать такой долгий путь, чтобы быть оптимальным», — сказал Кессельгрубер. Как и Bosch, American Axle, Dana и другие поставщики трансмиссий, GKN имеет портфолио электроприводов, многие из которых уже производятся в больших объемах.

«Электрические машины (двигатели) очень стары, и вокруг них много научных исследований», — сказал Кессельгрубер. «Итак, в автомобильной промышленности мы рассматриваем два аспекта. Эффективность двигателя — «Сколько энергии мне нужно для преобразования в крутящий момент?» И, во-вторых, это элемент затрат, который включает в себя все — размер двигателя, воздействие критических материалов, охлаждение и управление температурой, высокие скорости электродвигателя».

Привод для повышения эффективности

Министерство энергетики США сообщает, что типичная система привода электромобиля несет ответственность за потерю энергии от 15 до 20 процентов по сравнению с потерей энергии от 64 до 75 процентов для бензинового двигателя. Некоторые из этих потерь вызваны трением, а другие — тепловыми потерями.

Инженеры автопроизводителей и поставщиков добиваются быстрого прогресса в повышении общей эффективности при одновременном снижении затрат. Повышение эффективности — это не просто уменьшение трения внутри двигателя и коробки передач, к которой он прикреплен, — это включает в себя такие вещи, как уменьшение веса и размера двигателя, управление нагревом и оптимизацию скорости двигателя в соответствии с потребностями автомобиля.

Прорыв

Компактный двигатель Lucid Air мощностью 10 л.с. на фунт является одним из самых легких и мощных из имеющихся. В видео-презентации, объясняющей, как все это работает, представители Lucid показали, как компания снизила вес и увеличила удельную мощность по сравнению с двумя неназванными конкурентами, описанными как «немецкий производитель спортивных автомобилей» и «высокотехнологичная американская компания».

В статоре двигателя 72 прорези больше, чем у конкурирующих двигателей, и заполнены одной толстой медной проволокой, образующей непрерывную волну. В большинстве других двигателей эти пазы заполнены многочисленными жилами изолированного медного провода, воздух между которыми снижает эффективность.

«Я ценю эффективность превыше всего», — сказал на презентации генеральный директор Lucid Питер Роулинсон.

Использование крошечных охлаждающих прорезей в пластинах статора, куда направляется трансмиссионная жидкость под высоким давлением, что отводит тепло у источника, является прорывом для Lucid. Это значительно увеличивает мощность и эффективность двигателя, особенно на более высоких скоростях. Двигатель мощностью 670 л.с. весит всего 67 фунтов. Еще одно нововведение заключается в размещении дифференциала, который приводит в движение обе планетарные передачи, внутри ротора, что делает весь привод чрезвычайно компактным и легким.

RICHARD TRUETT

Двигатель вентилятора радиатора от Brose. Поставщики небольших двигателей, используемых во всех транспортных средствах, также работают над повышением эффективности.

«Мы достигли такой революционной плотности мощности и эффективности, используя целостный подход», — сказал Эмад Длала, вице-президент Lucid по силовым агрегатам, Automotive News . «Нельзя сосредоточиться на одной области. Вы должны искать улучшения повсюду. Где я вижу дальнейшие улучшения? Короткий ответ — везде. Мы видим потенциал для улучшений в инверторе, двигателе и трансмиссии».

«Мы открыли новые горизонты в области охлаждения двигателя, но думаем, что возможны дальнейшие улучшения», — сказал он.

«Технология медных обмоток будет продолжать развиваться и совершенствоваться. То же самое относится и к электромеханической архитектуре. Кроме того, с силовой электроникой можно сделать еще больше — микросхемы, конденсаторы и т. д.

«Каждый из них будет иметь различные степени улучшения удельной мощности и эффективности, — сказал Длала, — но в совокупности потенциал улучшения всей трансмиссии может быть значительным. Мы ни в коем случае не останавливаемся на достигнутом».

Скорость, магниты, температура

Электродвигатели вращаются с гораздо большей скоростью, чем двигатели внутреннего сгорания, и количество оборотов в минуту, вероятно, будет увеличиваться по мере совершенствования технологии. Некоторые автомобильные электродвигатели развивают скорость до 20 000 об/мин и более, а это означает, что ротор, статор и магниты должны быть чрезвычайно прочными, чтобы они не разлетались на части.

«В том, как удерживать эти магниты и как развивать такую ​​​​высокую скорость, столько же настроек и инженерных разработок, сколько и в настройке впускного коллектора», — сказал Тим Грю, генеральный директор GM по стратегии электрификации и разработке элементов. Grewe работал над каждым электромобилем и гибридом, созданным GM — начиная с EV1 в конце 99-го.0 до Cadillac Celestiq, новейшего электромобиля компании, который появится в четвертом квартале следующего года.

Компания GM посвятила большую часть своих ресурсов в области исследований и разработок электромобилей изучению способов оптимизации магнитов в своих электродвигателях. Улучшения, которые компания сделала в этой области после гибрида Chevrolet Volt 2011 года, показывают только один путь, по которому инженеры GM идут для повышения эффективности и снижения затрат.

«На уровне конструкции мы сделали двигатели еще лучше, используя меньше редкоземельных элементов. Тербий, неодим и диспрозий подобны катализаторам внутри самого магнита», — сказал Грю. «В первом поколении Volt мы просто поместили тербий и диспрозий повсюду в магните. Во втором поколении Volt мы в основном сократили тербий и диспрозий пополам, просто поместив их там, где они нам нужны».0007

«А теперь, с нашими двигателями Ultium, мы поднялись на новый уровень», — сказал он. «Мы еще больше усовершенствовали наши магнитные модели и наши возможности трехмерных магнитных вычислений и нанесли важные редкоземельные элементы непосредственно на магнит только там, где это необходимо. Вы действительно можете настроить это, потому что сила магнита — это крутящий момент».

Всего за три года инженеры немецкого поставщика Bosch уменьшили размер одного из своих электроприводов почти на 50 процентов. Они сделали это, интегрировав двигатель, инвертор и трансмиссию в один блок, состоящий из единого штампованного корпуса, что позволило снизить производственные затраты, затраты на материалы и вес.

Компания Bosch также ищет способы уменьшить количество редкоземельных магнитов — самой дорогой части двигателя.

«Двигатель имеет большой потенциал для улучшения», — сказал Артуро Майя, менеджер по продукции eMotor/eAxle в Bosch. «Редкоземельные материалы очень важны, и мы надеемся, что сможем получить магниты более доступным способом».

Магниты, по словам Майи, составляют половину стоимости электродвигателя. Инженеры Bosch также работают над медными обмотками двигателя и металлами, используемыми в конструкции компонентов.

Компания Aisin, японский поставщик трансмиссий и компонентов трансмиссии, работает над повышением эффективности трансмиссии электромобиля за счет управления температурным режимом. Поддержание оптимальной температуры аккумуляторов и двигателя увеличивает запас хода и продлевает срок службы аккумуляторов.

RICHARD TRUETT

Инженеры британского поставщика GKN повысили эффективность за счет снижения трения в шестернях и подшипниках электропривода.

На автосалоне в Детройте в сентябре компания Aisin продемонстрировала полную трансмиссию электромобиля с системой терморегулирования, которая интегрирует систему HVAC автомобиля. Если двигатель необходимо охладить, с этой задачей справится компрессор кондиционера автомобиля. Система HVAC также поддерживает оптимальную температуру батареи.

«Прямое охлаждение самих двигателей поддерживает их на правильном уровне управления температурой для вождения», — сказал Эдвард Пероски, вице-президент Aisin по разработке силовых агрегатов.

Преимущества эффективности

Поскольку аккумуляторная батарея является самой дорогой частью электромобиля, более высокая эффективность двигателя позволяет автопроизводителю уменьшить его размер без ущерба для запаса хода или производительности.

Быстрые усилия по улучшению электрических силовых агрегатов возможны отчасти потому, что электродвигатель и привод, к которому он прикреплен, намного проще, чем обычный бензиновый двигатель и трансмиссия. Силовой агрегат типичного переднеприводного автомобиля с четырьмя цилиндрами насчитывает около 200 движущихся частей. В Chevrolet Bolt всего 13 движущихся частей.

Эти усилия по улучшению электромобилей затрагивают все области отрасли.

Даже поставщики, производящие двигатели меньшего размера, которые используются во всех транспортных средствах, такие как Brose, немецкая компания, которая производит двигатели для всего, от раздвижных дверей с электроприводом, окон, задних дверей, вентиляторов и люков на крыше, работают над улучшением своих двигателей.