Двигатель: электрокардиограмма
Вдоль, поперек или по диагонали
В споре за место под капотом электромоторы легко заткнут двигатели внутреннего сгорания за пояс. Судите сами. Ездовые характеристики более удобные – максимальный крутящий момент доступен уже с начальных оборотов. Коэффициент полезного действия выше в разы – у некоторых электродвигателей он доходит до 95%. Лучшие показатели удельной мощности – при одинаковых киловаттах и ньютон-метрах электромоторы легче и компактнее, что очень удобно при компоновке автомобиля. Кроме того, электромотору не нужны многие дополнительные агрегаты вроде стартера или генератора, а широкий рабочий диапазон позволяет ему обходиться без коробки передач. И вот что еще немаловажно – дополнительные узлы и агрегаты (блоки управления, зарядки, инверторы) проще раскидать по всей платформе, ведь между ними не механическая, а электрическая связь.
А когда руки у конструкторов развязаны, появляются оригинальные и всплывают почти уже забытые решения. Например, двигатель расположен в корме и приводит в движение задние колеса. Такая схема реализована на платформе, которую делят Mitsubishi i-MiEV, Peugeot iOn и Citroen С-Zero. Аналогичную компоновку выбрали и разработчики электрического Smart. Не стоит, однако, забывать, что базой для всех этих машин послужили заднемоторные модели с ДВС.
Но как бы ни был привлекателен подход некоторых конкурентов, мы решили придерживаться доминирующей на современных автомобилях переднеприводной схемы. В первую очередь, чтобы максимально освободить место в хвостовой части для багажа и запасного колеса. Большинство вспомогательных агрегатов разместим под капотом – за развесовку можно не волноваться, батареи помогут восстановить требуемый баланс.
От мотор-колес решили отказаться, еще когда обсуждали общую концепцию (см. ЗР, 2011, № 3). Но это не означает, что у каждого колеса не будет собственного электромотора.
У полноприводного электрокара Mercedes-Benz SLS каждое колесо приводит в движение собственный электромотор. Реализуем такую же схему, только в варианте с двумя ведущими. От двух компактных электромоторов идут приводы к колесам.
1 – блоки управления мощностью;
2 – электродвигатели;
3 – трансмиссия;
4 – колеса с энергосберегающими шинами.
Два компактных агрегата подвешены на подрамнике, а к ступицам через редукторы (они понижают скорость вращения) идут приводы. Преимущества такой схемы перед одномоторной – компактность и меньшая масса: отпадает необходимость в дифференциале, вдобавок ниже механические потери. Кроме того, проще и рациональнее дозировать тягу отдельно на каждом колесе, нежели посредством тормозных механизмов. Недостаток, пожалуй, один – сложнее система управления электромоторами, замысловатее алгоритмы их работы.
Кто в сети?
Дело за малым – определить параметры и тип двигателей. Итак, требуется получить суммарную мощность 50–55 кВт и крутящий момент 200 Н.м. Этого вполне достаточно для уверенного разгона автомобиля полной массой примерно полторы тонны. Естественно, киловатты и ньютон-метры поделим поровну между двумя электромоторами. Ради экономии места агрегаты выполним максимально компактными. Настолько, чтобы не возникло сложностей с отводом тепла. Ведь мы не планируем тратить дополнительные средства на водяное охлаждение – тепло должны эффективно отводить воздушные потоки.
На первый взгляд, проще всего выбрать электромотор, питаемый постоянным током, который запасен в аккумуляторах. Но у этого типа двигателей есть один существенный минус. Они менее долговечны и надежны, в первую очередь, из-за изнашиваемого щеточного узла, подающего питание на обмотки ротора. Куда менее прихотливы агрегаты переменного тока. Раньше их редко применяли на такой технике из-за дорогих инверторов, преобразующих постоянный ток в переменный. Ныне эти полупроводниковые приборы стоят отнюдь не заоблачных денег, потому электромобиль с электродвигателем постоянного тока найдешь разве что в мастерских Самоделкиных.
Для многих гибридов синхронные электромоторы переменного тока выполняют в форме диска, чтобы проще было встроить его между двигателем и коробкой передач. Ротор в таких конструкциях может быть как внутри (на фото), так и снаружи. Последний вариант идеален для мотор-колеса.
1 – статор с обмотками возбуждения;
2 – ротор с постоянными магнитами;
3 – разъем для подключения;
4 – защитная крышка с подшипником;
5 – сцепление.
На большинстве гибридов и некоторых электромобилях устанавливают синхронные электромоторы. Одно из преимуществ перед также применяемыми асинхронными двигателями – более высокий КПД, обусловленный тем, что не надо создавать дополнительное электромагнитное поле для ротора. По этой же причине у ротора в синхронном моторе низкий момент инерции относительно крутящего момента, так как он следует точно за магнитным полем. Иными словами, такой двигатель быстрее и легче разгоняется, им удобнее управлять. Недаром большинство автомобильных компаний, разрабатывая новые модели, отдают предпочтение именно таким электромоторам. Правда, с оглядкой на цену, ведь синхронники дороже в производстве. Но количество заказов год от года растет – и, естественно, падает стоимость этих агрегатов. Судя по тенденции, через несколько лет, когда как раз появится наш электромобиль, синхронные двигатели полностью вытеснят асинхронные из-под капота.
За исключением некоторых нюансов, техзадание на двигатель сформировали, осталось определиться с производителем. Впрочем, еще надо позаботиться о питании электромоторов. Итак, подбираем батарею аккумуляторов – отчет в ближайших номерах.
Знакомьтесь: электромотор
Устройство электродвигателя:
1 – корпус с ребрами для охлаждения;
2 – ротор;
3 – разъем для подключения;
4 – обмотки статора;
5 – вал ротора.
Принцип работы любого электродвигателя основан на явлении электромагнитной индукции: при изменении магнитного потока в замкнутом контуре возникает электродвижущая сила. Электрический ток, подаваемый на обмотки статора, создает магнитное поле, заставляющее ротор вращаться. В первой половине XIX века российский физик и изобретатель Б.С. Якоби подарил миру первый электродвигатель постоянного тока.
Новый источник движения быстро совершенствовался, росла его область применения. Но к концу этого же столетия появился более эффективный агрегат – трехфазный электромотор переменного тока. На автомобилях с гибридными и электрическими приводами чаще всего встречаются два типа таких двигателей: синхронный и асинхронный.
Основное отличие: у первых ротор вращается с той же скоростью (синхронно), что и магнитное поле, создаваемое статором, а у вторых ротор немного отстает. Яркое конструктивное отличие – в устройстве ротора. У синхронного мотора он состоит из постоянных магнитов, а у асинхронного – из короткозамкнутой обмотки, в которой под действием магнитного поля статора индуцируется ток.
28193