Двигатель электромобиля — устройство, типы

Синхронный, асинхронный, на постоянных магнитах, индукционный, с обмоткой возбуждения, однофазный, трехфазный, шаговый, коллекторный, бесщеточный. Все это — различные типы электромоторов. Объясняем, как устроен двигатель электромобиля.

Начнем с небольшого экскурса в историю:

• 1821: британский ученый Майкл Фарадей публикует трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», в котором описано непрерывное вращение намагниченной стрелки вокруг одного из магнитных полюсов;
• 1831: Фарадей открывает электромагнитную индукцию — возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении проходящего через него магнитного потока;
• 1825: британец Уильям Стерджен изготавливает первый электромагнит;
• 1833: Стерджен демонстрирует в Лондоне первый реально работающий электродвигатель на постоянном токе;
• 1834: русский и немецкий физик Мориц Якоби изобретает электродвигатель с вращающимся рабочим валом;
• 1839: Якоби успешно испытывает на Неве моторную лодку с электромотором;
• 1885: итальянец Галилео Феррарис изобретает первый двухфазный асинхронный электродвигатель;
• 1887: Никола Тесла независимо от Феррариса изобретает и патентует двухфазный асинхронный электродвигатель с явно выраженными полюсами статора (сосредоточенными обмотками);
• 1889-1891: россиянин Михаил Осипович Доливо-Добровольский, прочитав доклад Феррариса о вращающемся магнитном поле, усовершенствовал двигатель Теслы с помощью ротора в виде «беличьей клетки». В отличие от Теслы, Доливо-Добровольский считал оптимальной трех-, а не двухфазную передачу электроэнергии. И в итоге именно она нашла широкое применение в промышленности.

Двигатель электрокара - принцип работы

Электродвигатель состоит из подвижной (ротор) и неподвижной (статор) частей. Когда на мотор подается напряжение, ротор начинает вращаться внутри статора. Это происходит под действием магнитного поля, возникающего вокруг ротора. Для создания магнитного поля в современных электродвигателях используются постоянные магниты из редкоземельных материалов, катушки индуктивности или электромагниты. Внутри любого электромотора можно увидеть обмотку из медной проволоки, покрытой изоляционным лаком. Эта так называемая обмотка возбуждения и есть электромагнит.

Для того, чтобы вращение ротора не прекращалось, необходимо с постоянной частотой менять направленность электромагнитного поля. В зависимости от того, каким способом это достигается, выделяют разные виды электрических двигателей.

Устройство электродвигателя Volkswagen MEB APP550

Двигатель постоянного тока для электромобиля

Принцип работы — смена направления тока, проходящего через ротор. За это отвечает так называемый щеточно-коллекторный узел — токопроводящее кольцо на валу двигателя. Кольцо все время трется о контакты (щетки), весь узел постепенно изнашивается под действием силы трения, поэтому ресурс такого двигателя ограничен.

Электромотор переменного тока

Принцип работы — вращение электромагнитного поля. Достигается благодаря подаче переменного трехфазного тока (либо однофазного с использованием конденсатора, обеспечивающего подачу реактивной нагрузки) на статорные обмотки. Генерируемые обмотками магнитные потоки в совокупности образуют вращающееся магнитное поле.

Таким образом, ключевое отличие электродвигателя постоянного тока от электродвигателя переменного тока в том, что у первого напряжение подается на ротор, а у второго — на статор. В электромобилях используются трехфазные двигатели переменного тока.

Устройство двигателя электромобиля

Электродвигатель электромобиля является частью блока электропривода (EDU), расположенного на передней и/или задней оси в зависимости от типа привода (моно- или полного). Каждый блок оснащен также коробкой передач, в роли которой выступает обычно планетарный редуктор, и дифференциалом, непосредственно связанным с электродвигателем.

Электромотор подсоединяется к инвертору. Это устройство, которое преобразует постоянный ток батареи электромобиля в переменный ток для электромотора и наоборот (в режиме рекуперации). Инвертор также управляет работой электродвигателя в ответ на входные сигналы педалей ускорения и тормоза, регулируя трехфазный переменный ток, который подается на обмотки статора. Помимо этого инвертор меняет фазы для изменения направления вращения ротора при необходимости движения задним ходом.

Для эффективной работы электродвигателя и даже просто для того, чтобы электродвигатель не останавливался, необходимо очень точное управление синхронизацией вращения ротора и магнитного поля статора. В зависимости от того, как осуществляется синхронизация, выделяются синхронные и асинхронные (они же — индукционные) электродвигатели.

Инвертор электродвигателя

Асинхронные и синхронные электродвигатели

Разница между в ними в том, что у синхронного двигателя ротор и магнитное поле вращаются синхронно, с одинаковой частотой, а у асинхронного магнитное поле обгоняет ротор. Почти все современные электромобили используют синхронные двигатели на постоянных магнитах. Электромоторы асинхронного типа можно найти на электромобилях Tesla. Иногда в одном автомобиле сочетаются электродвигатели двух типов, как, например, у Audi Q4 e-tron или Nio ET5.

Двигатель с осевым магнитным потоком

Двигатель с осевым магнитным потоком (англ. — axial flux motor) — перспективная разновидность синхронного электродвигателя на постоянных магнитах. Из-за плоской и круглой формы его еще в шутку называют двигатель-блинчик (pancake engine). У такого мотора ротор не вставлен в статор, а наложен на него. Магнитное поле в аксиальном двигателе параллельно оси вращения ротора, а не перпендикулярно, как у традиционного (радиального) двигателя.

Двигатель с осевым магнитным потоком

Преимущества аксиального мотора — малые размеры и масса в сочетании с высоким крутящим моментом. Соотношение массы самого двигателя и крутящего момента с осевым магнитным потоком в четыре раза лучше, чем у радиального. Сочетание небольших массы и размеров с высокой производительностью делает аксиальные электромоторы особенно подходящими для электрических суперкаров.

Аксиальными электродвигателями сейчас заинтересованы в Mercedes-Benz Group. Концерн недавно приобрел британскую компанию YASA Limited, известную своими разработками в области двигателей с осевым потоком, и использовал ее аксиальные моторы на концепт-каре Vision One-Eleven.

Шведский производитель гиперкаров Koeniggsegg пошел еще дальше и совместил преимущества аксиального и радиального двигателей в «раксиальном» агрегате Quark. Этот электромотор сделан из аэрокосмических сталей и углеволокна и весит менее 30 кг, при этом развивает 340 л.с. и 600 Нм крутящего момента. Сочетание двух таких двигателей дает уже 680 л.с. Они объединены в единый компактный узел с инвертором David (тоже собственной разработки Koeniggsegg). В конце 2024 года шведская компания планирует начать производство гиперкара Gemera с гибридной силовой установкой, собранной из еще более мощного «раксиального» электромотора Dark Matter и бензинового V8 совокупной отдачей 2300 л.с.

«Раксиальный» электродвигатель Koeniggsegg Quark с редуктором и инвертором

 

Примеры электромоторов разных типов на серийных электромобилях и гибридах:

• Гибридный внедорожник BYD Yangwang U8, электрическая (BEV) версия внедорожника Mengshi M-Hero 917 — четыре синхронных двигателя на постоянных магнитах;
• Электролифтбек Zeekr 001 — два или четыре (топовый Zeekr 001 FR) синхронных мотора на постоянных магнитах;
• Электрокроссовер Jaguar I-Pace — два синхронных двигателя на постоянных магнитах;
• Гибридные кроссоверы Lixiang L9, L8, Li L7 — два синхронных двигателя на постоянных магнитах;
• Электроседан Nio ET5 — cинхронный спереди, асинхронный сзади;
• Электрокроссовер Renault Megane E-Tech EV40 — cинхронный двигатель с обмоткой возбуждения;
• Электрокроссовер Audi Q4 e-tron — асинхронный двигатель спереди, синхронный сзади;
• Электролифтбек Tesla Model S — трехфазный асинхронный двигатель индукционного типа;
• Гибридный гиперкар Koeniggsegg Gemera — аксиальный двигатель;
• Концептуальный электровнедорожник Jeep Wrangler Magneto — аксиальный двигатель.

Сравнительное устройство аксиального (слева) и радиального (справа) электродвигателей

Как работает двигатель электромобиля

Крутящий момент электродвигателя создается, когда магнитное поле ротора отстает от вращающегося магнитного поля статора. Постоянные магниты ротора пытаются «догнать» поле статора и тем самым приводят ротор (а значит и электромобиль) в движение. Когда электрокар едет накатом или тормозит, электродвигатель превращается в генератор. Магнитное поле ротора проходит через обмотки статора, индуцируя электричество. Так работает рекуперация — преобразование кинетической энергии от вращения колес в электрическую для восполнения заряда батареи электромобиля.

Преимущества электрического двигателя

По ряду характеристик двигатель электромобиля существенно опережает ДВС.

Электромотор:

• обладает высоким КПД;
• позволяет ездить, не пользуясь тормозами;
• обеспечивает стабильно высокий крутящий момент;
• занимает мало места и мало весит;
• удобен в плане проектирования и дизайна;
• работает без шума и вибрации;
• обладает большим ресурсом и не нуждается в частом обслуживании;
• не так опасен при аварии.

Поговорим о преимуществах электродвигателя подробнее.

Эффективность

Коэффициент полезного действия электрического двигателя гораздо выше, чем у ДВС. Электромотор конвертирует в движение 80–90% энергии, в то время как самые энергоэффективные бензиновые или дизельные моторы – максимум 30–40%. Остальное рассеивается в виде тепла. При этом электродвигатель позволяет компенсировать часть потраченной энергии за счет рекуперации — при движении накатом или в процессе торможения кинетическая энергия от вращения колес преобразуется в электрическую энергию, которая восполняет заряд батареи электромобиля.

Возможность езды «в одну педаль»

Помимо подзарядки, рекуперация позволяет ездить на электромобиле «в одну педаль» — при отпускании педали газа обратный электромагнитный импульс противодействует вращению ротора электромотора и автомобиль замедляется даже без нажатия педали тормоза. Это удобно в условиях плотного городского трафика и продлевает срок службы тормозных колодок.

Динамика

Электромотор работает на более высоких оборотах, чем бензиновый или дизельный двигатель (16000–25000 об/мин). При этом у электрического постоянно высокий крутящий момент, который доступен сразу же. Это обеспечивает мгновенный отклик на нажатие педали акселератора и быстрый разгон. Поэтому обычные городские электромобили разгоняются также быстро, как дорогие и мощные спорткары с ДВС — в пределах 4–5 секунд от 0 до 100 км/ч. Постоянно высокий крутящий момент также полезен в условиях бездорожья — и на электрокаре, в отличие от машины с ДВС, не нужна понижающая передача для усиления тяги.

   

Компактность

Мотор электромобиля устроен иначе, чем двигатель внутреннего сгорания. В нем меньше деталей и движущихся частей, а сам электродвигатель занимает намного меньше места, чем бензиновый или дизельный мотор. К примеру, популярный у фанатов японских праворульных автомобилей и дрифта 3,0-литровый мотор 2JZ от Toyota Mark II мощностью 230–324 л.с. весит около 230 кг, и это без коробки передач и сцепления. Два электродвигателя Zeekr 001 вместе весят 120 кг, развивают на двоих 544 л.с., и каждый из них умещается в спортивную сумку.

Громоздкая многоступенчатая коробка передач электромотору не нужна. Малые размеры мотора электромобиля высвобождают полезный объем — под капотом у многих электрокаров есть дополнительный багажник на 30–40 литров (frunk — от сочетания front и trunk, буквально «передний багажник»).

Гибкость конструкции

Электромобили часто оснащены не одним, а двумя, тремя или даже четырьмя электромоторами. Это позволяет автомобилю на электротяге оставаться на ходу, даже если один из электромоторов вышел из строя. Компактность и простота электродвигателя удобны для построения модульных платформ и интеграции продвинутых систем управления — будь то автоматическое распределение тяги между колесами или подруливающая задняя ось. А при четырехмоторной компоновке независимое управление двигателями позволяет реализовать «танковый разворот» — возможность развернуться на месте за счет вращения правых и левых колес в противоположные стороны. Так умеют делать, например, Yangwang U8 и Zeekr 001 FR.

Компоновка электромобиля

Бесшумность

Электромотор работает практически бесшумно и позволяет сэкономить на шумо- и виброизоляции. Автомобилю с электродвигателем не нужна сложная, массивная и тяжелая выхлопная система с глушителями, резонаторами и другими средствами подавления шума. В то же время у бесшумности есть обратная сторона — для безопасности пешеходов и велосипедистов электромобили приходится оснащать генераторами внешнего шума.

Надежность и долговечность

Электрический двигатель электромобиля считается практически вечным, ведь в нем особо нечему ломаться. По крайней мере, так думает обыватель. На деле это не совсем так. Большинство китайских производителей электромобилей дают гарантию 5–8 лет на всю высоковольтную электросистему электромобиля, включая как тяговую батарею, так и электромотор. В реальности в идеальных условиях ресурс двигателя электромобиля может составлять 20 лет, а то и больше.

Двигатель электромобиля гораздо реже нуждается в обслуживании. В нем не нужно менять свечи, фильтры, приводные ремни, цепи, прокладки или цилиндро-поршневую группу. Замена масла в редукторе электродвигателя электромобиля производится раз в 30–40 тыс. км, а не раз в 5–7 тыс. км, как рекомендуется для автомобиля с ДВС.

Ротор электродвигателя с обмоткой и магнитами

Безопасность

В электромобиле нет горючих жидкостей, которые могут воспламениться, выплеснувшись на раскаленную поверхность или от проскочившей искры, как это может произойти при аварии машины с двигателем внутреннего сгорания. В этом смысле электромотор безопаснее ДВС.

При лобовом столкновении пассажиры автомобиля с бензиновым или дизельным мотором могут получить травмы из-за смещения в салон массивного бензинового или дизельного двигателя. В случае с электромобилем это исключено — компактный электромотор находится не под капотом, а в районе передней оси и при аварии ничем не угрожает сидящим в салоне.

Чего не любит двигатель электромобиля

Электродвигателю, как и другим компонентам электрической начинки электрокара, вредны экстремальные температуры и высокая влажность. Электромотор может сломаться и от слишком высокой нагрузки и постоянных пробуксовок, от скоростной езды по бездорожью или лежачим полицейским. Все перечисленное повышает износ движущихся частей мотора и редуктора и способно сильно сократить ресурс агрегата и даже привести к внезапной поломке — подобные случаи были в практике сервиса Neo Cars.

Двигатели и батарея Mercedes-Benz Vision One-Eleven

Ремонт электродвигателя по гарантии

Механическая поломка электродвигателя или редуктора обычно влечет замену всего узла в сборе. И не всегда покрывается гарантией — подробнее об этом вы можете прочитать в нашей памятке и в отдельной статье о том, какие бывают типы гарантии на электромобиль и почему не все из них работают. Клиентам нашей компании в этом смысле проще — в гарантийном договоре Neo Cars нет подводных камней и раздела «что не покрывается гарантией», при этом у нас есть собственный сервис и склад запчастей для автомобилей наших покупателей. Мы не продаем так называемые продленные страховые гарантии, которые являются фикцией и ничего вам не дают, а берем на себя реальное прописанное в договоре обязательство отремонтировать электромобиль по стандартам производителя. Если же мы не сможем починить автомобиль в установленный законом срок, то компенсируем клиенту деньги за автомобиль и дальше будем разбираться с ним сами.

Приглашаем вас в наш автосалон на Новой Риге, где вы сможете увидеть новейшие модели электромобилей и гибридов из Китая, включая хит сезона-2024 Polar Stone 01 и футуристичный HiPhi Z с эксклюзивной русификацией от Neo Cars, а также узнать всю интересующую вас информацию об этих автомобилях. Звоните и записывайтесь на тест-драйв!