В статье проведен анализ основных направлений применения электродвигателей в автомобилестроении в качестве силовых агрегатов. Выделены наиболее перспективные направления.
Проблема замены энергии углеводородов в силовых агрегатах автомобиля и не только является одной из основных в современном мире. Предпосылок для этого существует множество- истощение ресурсов на планете, сложная экологическая обстановка, выделение большого количества вредных выбросов двигателя внутреннего сгорания и т. д. На рынке в последнее время появилось большое количество альтернативных двигателю внутреннего сгорания силовых установок. Одним из основных конкурентов углеводородам на данный момент является применение электроэнергии. [1,2,3,4]
У электрических агрегатов есть ряд несомненных преимуществ: 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 регенерации энергии торможения и т. д. Существенных недостатков у электродвигателя нет. Основной проблемой является питание агрегата, что тормозит распространение и широкое использование технологии. [2,3]
Электрoдвигателем является устройство, преобразующее электроэнергию в механическую. Принцип работы электродвигателя основывается на явлении электромагнитной индукции. Электродвигатель включает в себя статор и ротор (рисунок 1). 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.
Электродвигатели, применяемые в электромобилях, можно условно классифицировать по типу тока:
‒ устройства переменного тока;
‒ устройства постоянного тока;
‒ решения универсального образца (способны функционировать от постоянного и переменного тока).
Устройства 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.
Еще электродвигатели классифицируют 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.
От электродвигателей, применяемых на производствах, автомобильный агрегат отличается малыми габаритами и 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.
Рис. 1. Устройство электродвигателя электромобиля
История электромобиля насчитывает более полутора веков. Есть данные, что транспортные средства, приводимые в движение электрическим мотором, были разработаны и созданы раньше машин с двигателем внутреннего сгорания. Первые модели электромобилей были собраны в 1830–40-х годах. Пионерами электромобилестроения принято считать британцев Роберта Андерсена, Роберта Дэвидсона и американца Томаса Давенпорта. Конструкции их разработок были довольно неуклюжими и ненадёжными агрегатами. Скорость перемещения была небольшой. Их вполне мог обогнать пешеход, идущий неспешным шагом. [1]
Период конеца XIX века — начала XX века вполне можно назвать бумом электромобилестроения. Производство электромобилей было налажено в Европе и в США. В Соединённых Штатах Выпуск электромобилей к началу XX века достиг 10 тысяч экземпляров, а их количество в несколько раз превышало количество автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Характеристики электромобилей на рубеже XIX-XX веков были на то время впечатляющими.
В 1899 году электромобиль (рисунок 2) бельгийца Камиля Женатци под названием La Jamais Contente сумел преодолеть рубеж 100 км/ч. Машина имела обтекаемый корпус из сплава алюминия и вольфрама. Внешний вид напоминал торпеду, установленную на шасси. Кузов электромобиля был открытым. Он оснащался двумя электродвигателями и имел массу около 1 тонны. Электромобиль достиг скорости 105, 88 км/ч. [1]
В XX столетии электромобиль постепенно уступил позиции традиционному автомобилю. Одной из основных причин была недостаточно большая ёмкость аккумуляторов. Ввиду этого запас хода был не слишком велик. Производство автомобилей с двигателями внутреннего сгорания постоянно расширялось и обходилось всё дешевле. В связи с этим они получали всё большее распространение.
Рис. 2. Гоночный электромобиль La Jamais Contente, 1899 г.
В литературе и других источниках информации существует большое количество данных по электромобилям. Однако эти данные разрознены и нет четкой классификации.
В современном электромобилестроении выделилось два направления развития — это непосредственно электромобили и гибридные агрегаты. Причем поизводство гибридных авто на рынке занимает лидирующие позиции. Гибридные агрегаты представляют собой комбинированный агрегат, в котором совмещены двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, где электродвигатель применяется как дополнительный элемент.
Применение гибридных автомобилей такие преимущества как экологичность и экономичность, которая достигается за счет снижения расхода топлива. На данный момент минимальный расход гибридного авто достигает менее 3-х литров на 100 км пути, когда минимальное потребление автомобилей только с двигателем внутреннего сгорания 4–5 литров на 100 км пути. Помимо этого, применение гибридного авто позволяет адаптировать серийные автотранспортные средства и вести разработку новых моделей.
Выделены следующие основные гибридные системы:
- 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.
Анализ литературы показал, что различают также следующие виды гибридных приводов (рисунок 3):
- 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.
Основная масса существующих на данный момент гибридных автомобилей относятся к параллельным.
Гибридная система существенно снижает уровень выводимых газов и увеличивает продуктивность расхода топлива, что особо актуально в условиях крупного населенного пункта. А регенеративная система аккумулирует энергию.
Рис. 3. Виды гибридных приводов.
При использовании гибридных схем не нужно специально подзаряжать аккумуляторную батарею, это происходит при работе автомобиля, увеличивается запас хода, позволительно использовать менее мощные и дорогостоящие аккумуляторные батареи.
Рынок электромобилей и гибридных авто насыщен различными конструкциями и вариантами исполнения электрического привода. Следует отметить, что у разных производителей разные двигатели, отличающиеся массой, мощностью, габаритами и прочими параметрами.
На гибридных автомобилях Volt от Chevrolet в качестве электропривода применяется трехфазный асинхронный двигатель (рисунок 4). Пример трехфазного синхронного двигателя — i-MiEV от Mitsubishi, который является исключительно электрическим. Конструкциях электромобилей зачастую включают в себя коллекторные моторы. Однако в автомобиле «Санрейсер», в котором установлен как раз бесколлекторный двигатель от компании General Motors. Его КПД составляет 92 %, а масса 3,6 кг. 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. [2]
Рис. 4. Электродвигатель гибрида Chevrolet Volt
Рис. 5. Система мотор-колесо
Главными составляющими электромобиля являются 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 тяговая аккумуляторная батарея. Аккумуляторы в основном используются литий-ионного типа, которые включают в себя несколько последовательно подключенных модулей. На выходе аккумулятора формируется напряжение от 300 (В) постоянного тока. Это значение определяется моделью авто. Современные образцы способны создавать и 700 В.
Таким образом рынок транспортных средств постепенно поворачивается в сторону использования в качестве силовой установки электропривода, который обладает несомненными преимуществами по сравнению с двигателей внутреннего сгорания. Существуют два вида реализации электропривода транспортных средствах- электромобиль и гибридное авто. Пока основным направлением разработок автопроизводителей является применение гибридных автомобилей. Это обусловлено минимальными расходами при производстве, т. к. позволяет адаптировать серийные автотранспортные средства и вести разработку новых моделей. Применения электромобилей ограничено по ряду технологических и эксплуатационных причин, в частности отсутствие развитой инфраструктуры обслуживания, высокая себестоимость и малый запас хода на одном заряде. Одним из важных факторов, притормаживающий прогресс, является психология человека. Трудно переубедить автомобилистов пересесть с бензиновых и дизельных автомобилей на электрические. Это особенно сложно сделать тем, кто занимается автогонками или является любителем динамичной езды.
Литература:
- История электромобиля // drive2. URL:https://www.drive2.ru/b/288230376152252121/ (дата обращения: 15.05.2016).
- Устройство и эксплуатация автомобиля // autoleek. URL: http:// autoleek.ru /dvigatel/ jelektricheskij-dvigatel/ustrojstvo-jelektromobilja.html (дата обращения: 15.05.2016).
- Карамян О. Ю., Чебанов К. А., Соловьева Ж. А. ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РАЗВИТИЯ // Фундаментальные исследования. — 2015. — № 12–4. — С. 693–696;
- Зарядные станции «ЭМИ» // URL: http://e-m-i.ru/index.php/zaryadnyestantsii-i-uslugi/zaryadnye-stantsii-peremennogo-toka-emi
- CHAdeMO technological strengths, 2012, no. 154 // URL: http://www.chademo.com/wp/
- Всероссийская программа развития зарядной инфраструктуры для электротранспорта. Концепция создания Коммерческого оператора сети ЭЗС. М.: РОССЕТИ, 2015. 16 с. // URL: http://www.rosseti.ru/investment/electrocar/ (дата обращения: 15.05.2016).
