Электродвигатель в современном мире сам по себе давно не является чем-то новым. Однако сейчас этот агрегат стал весьма популярным. И в первую очередь благодаря активному развитию электромобилей. Все чаще возникают дискуссии на тему преимуществ и недостатков электродвигателей, стоит брать или нет электрокар и т.п. В данной статье будут рассмотрены особенности электродвигателей, их разновидности, достоинства и недостатки, а также перспективы дальнейшего распространения.
Особенности конструкции и принцип работы электродвигателя
В основе действия любого электродвигателя заложен принцип электромагнитной индукции. Основное назначение электродвигателя заключается в превращении электрической энергии в механическую. Такое преобразование осуществляется посредством взаимодействия двух главных частей электромотора – статора (неподвижной части) и ротора (подвижная часть). После подачи питания образующееся в статоре магнитное поле оказывает воздействие на ротор, в результате чего последний начинает вращаться, откуда и создается крутящий момент.
Разновидности и классификация
Существует достаточно много различных электродвигателей, отличающихся по конструкции, принципу действия, характеристикам. Все их можно классифицировать следующим образом.
Двигатель постоянного тока (ДПТ):
- коллекторный (наличие щеточно-коллекторного узла):
- с постоянными магнитами;
- с последовательным возбуждением (последовательная обмотка статора);
- с параллельным возбуждением (обмотка статора и якоря соединяется параллельно);
- с независимым возбуждением (обмотка статора питается из независимого источника тока);
- со смешанным возбуждением (используется параллельное и смешанное подключение).
- бесколлекторный или бесщеточный.
Двигатель переменного тока:
- синхронный (ротор и статор вращаются синхронно);
- асинхронный (ротор и статор вращаются асинхронно):
- однофазный;
- двухфазный;
- трехфазный;
- многофазный
- универсальный.
Двигатель постоянного тока для электромобиля – первый и самый бюджетный вариант электродвигателя. При этом, как правило, используется бесколлекторный двигатель для электромобиля. Более современные и дорогостоящие – асинхронные двигатели.
Дополнительная информация. Использовать асинхронный двигатель для электромобиля – одно из ключевых решений инженеров Tesla. В результате мощный двигатель электромобиля Тесла стал залогом динамичности этих электрокаров, что, во многом, и обеспечило выбор потребителей.
Особенности синхронных и асинхронных двигателей
Синхронные двигатели характеризуются следующими особенностями.
Преимущества:
- постоянная скорость вращения;
- высокий КПД;
- небольшая реактивная составляющая;
- возможность работать с перегрузкой.
Недостатки:
- высокая цена;
- сложная конструкция;
- сложная система запуска;
- потребность в наличии источника постоянного напряжения;
- сложность регулировки.
Асинхронные двигатели характеризуются следующими моментами.
Преимущества:
- простая схема пуска (непосредственно к электросети);
- допустимость перегрузок (но кратковременных);
- возможность получать высокую мощность двигателя;
- несложная конструкция;
- достаточно простое техническое обслуживание;
- невысокая стоимость.
Недостатки:
- ограничение предельной скорости вращения (не может превышать 3000 об/мин);
- высокие пусковые токи;
- сложность регулировки частоты вращения.
Классификация электромобилей по типу использования электродвигателя
Гибриды (Hybrids Electric Vehicle или HEV) – это первые шаги в построении электромобиля. Такую машину сложно назвать электрокаром в полном смысле этого слова, поскольку ДВС (бензиновый или дизельный движок) в них по-прежнему выступал в качестве основного агрегата. Тогда как электродвигатель играл второстепенную роль и заряжался от энергии ДВС. Соответственно и запас хода такого электродвигателя был совсем небольшой. Хотя на поздние модели гибридов устанавливалась уже более емкая батарея, продажа таких машин не отличалась большим спросом. Причиной являлась сложная и достаточно дорогая в обслуживании система.
Плагин-гибриды (Plug-in Hybrid Electric Vehicle или PHEV) также имели одновременно ДВС и электромотор, однако в них уже предусматривалась возможность заряжать батарею от обычной бытовой розетки. Благодаря увеличенной мощности батареи, запас хода плагин-гибрида на электродвигателе мог достигать 80 км.
«Гибрид наоборот» (Range-Extended Electric Vehicle или REEV) – электрокар, в котором также используется два двигателя, однако электрическая установка является главной, а ДВС – второстепенным. В таких машинах ДВС используется только для выработки энергии для электродвигателя. Такая конструкция, с одной стороны, экономит топливо при использовании электродвигателя, а с другой легко решает проблему ограниченности пробега, поскольку АЗС можно найти практически везде.
Классический электромобиль (Battery Electric Vehicle или BEV) – авто, которое передвигается исключительно за счет энергии, вырабатываемой электрической силовой установкой. Экологически (или почти экологически) чистый транспорт, который в настоящее время набирает свою популярность. Зарядка электродвигателя возможна на специализированных электрозаправках, от бытовой розетки или мобильных станций.
Электромобиль на топливных элементах (Fuel Cell Electric Vehicle или FCEV). Как видно из названия, источником энергии для электродвигателя здесь выступает не батарея, а топливный элемент (сжатый водород).
Двигатель-колесо
Двигатель-колесо или по-другому мотор-колесо – комплексная система, которая состоит из следующих агрегатов: колесо, электродвигатель, силовая передача. Также может дополнительно использоваться тормозная система. Впервые концепция такого устройства появилась еще в 1884 году. Такая система получает питание от аккумулятора (на гибридах – от ДВС). При этом электрический двигатель имеет два режима работы – тяговый (приведение колеса в движение) и генераторный (фактически является системой рекуперации, при которой энергия торможения применяется для зарядки аккумуляторной батареи).
Такая система достаточно часто используется на электровелосипедах, гироскутерах, электросамокатах и т.п. В последнее время на нее обратили внимание и в автомобилестроении, благодаря следующим его преимуществам:
- отсутствие большого количества оборудования;
- отличная динамика;
- упрощение системы рекуперации;
- возможность использовать как в двигателях с ДВС, так и в электрокарах.
Преимущества и недостатки электродвигателей
К числу преимуществ электродвигателей относятся следующие:
- высокий КПД (примерно 90-95%);
- отсутствие потерь на трение трансмиссии;
- максимальный крутящий момент сразу при запуске;
- низкие эксплуатационные затраты;
- экологичность;
- простота конструкции;
- возможность торможения двигателем;
- отсутствие коробки передач;
- низкий уровень шума.
К числу недостатков таких двигателей относятся:
- ограниченная по времени работа в автономном режиме;
- необходимость наличия источника питания (аккумуляторы, зарядные станции);
- длительное время зарядки.
Обратите внимание. Именно указанные проблемы пока что сдерживают широкое распространение электромобилей. И если вопрос со временем зарядки уже частично решен (появились станции, поддерживающие стандарт быстрой зарядки), то проблема с ограниченным ресурсом пробега на одной зарядке остается актуальной.
Перспективы развития электродвигателей
Рассуждая о перспективах электродвигателей, стоит отметить тот факт, что сегодня очень много устройств, как бытовых, так и промышленных, имеют электродвигатель. Появление электромобилей дало новый толчок развитию электродвигателя.
Важно. Сейчас постоянно проводятся исследования, целью которых является сделать двигатель на электромобиль лучше: повысить мощностные и эксплуатационные характеристики, улучшить КПД, продлить срок службы, оптимизировать устройство двигателя электромобиля. Популярное и крайне важное дело – улучшение экологической ситуации в мире – также будет способствовать тому, что двигатель для электромобиля будет развиваться и дальше, ведь он намного экологичнее, чем автомобиль с ДВС.
Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что электродвигатель, был, есть и будет. По крайней мере до тех пор, пока не изобретут какой-либо совершено новый тип двигателя.