Вход

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

0 продукта | 0 лв.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

auto motor und sport Bulgaria logo

Електрическата машина на Никола Тесла

06.05.2020 00:19

Eлектрическите мотори са много по-ефективни от двигателите с вътрешно горене. Защо и кога

Азбучна истина е фактът, че проблемите на електрическите автомобили са свързани с източника на енергия, но те биха могли да бъдат видени и от друга гледна точка. Както множество неща в живота, които приемаме за даденост, електрическият мотор и системата за управление в електромобилите се приемат за най-ефективното и надеждно звено в тези машини. За да се стигне до това състояние на нещата обаче, те са изминали дълъг път на еволюция – от откриването на връзката между електричество и магнетизъм до ефективното й превръщане в механична сила. Тази тема често е подценявана на фона на разговорите за технологичното развитие на двигателя с вътрешно горене, но стана все по-належащо да разкажем повече за машината, наречена електромотор. 

Един или два мотора
 
Ако погледнете графика на характеристиката на един електрически мотор, независимо от типа му, ще забележите, че той притежава коефициент на полезно действие над 85 процента, често над 90 процента, и че има най-висок КПД при ниво на натоварване от около 75 процента от максимума. С увеличаване на мощността и респективно размера на електромотора диапазонът на ефективността се разширява, при което той може да достигне своя максимум още по-рано – понякога при 20 процента натоварване. Монетата обаче има и друга страна – въпреки разширения диапазон на по-висока ефективност използването на много мощни мотори с много ниско натоварване отново може да доведе до често навлизане в зона на ниска ефективност. Затова решенията по отношение на размера, мощността, броя (един или два) и използването (един или два в зависимост от натоварването) на електромоторите са процеси, които са част от проектната работа при конструирането на автомобила. В този контекст е разбираемо защо е по-добре да има два двигателя вместо един много мощен, а именно за да не навлиза често в зони на ниска ефективност и заради възможността при ниски натоварвания единият да бъде изключен. Затова при частични натоварвания например Tesla Model 3 Performance използва само задния двигател. В по-маломощните варианти той е единствен, а при по-динамичните версии към предния мост се свързва един асинхронен. Това е още едно предимство на електрическите автомобили – мощността може да бъде увеличена по-лесно, режимите се използват в зависимост от изискванията за ефективност, а полезният страничен ефект е двойното предаване. По-ниската ефективност при малко натоварване обаче не пречи на факта че за разлика от двигателя с вътрешно горене електромоторът създава тяга и при нулеви обороти заради коренно различния си принцип на работа и взаимодействието между магнитните полета дори и в такива условия. Споменатият по-горе факт за ефективността е в основата на проектирането на двигателите и режимите на работа – както казахме, един преоразмерен двигател, работещ постоянно в режими на ниско натоварване, би бил неефективен. 
С бурното развитие на електрическата мобилност се разширява и разнообразието от гледна  точка на производството на двигателите. Създават се нови и нови съглашения и договорености, при които някои производители, като BMW и VW, проектират и произвеждат сами машините си, други купуват дялове от компании, свързани с този бизнес, трети възлагат това на доставчици като Bosch. В повечето случаи, ако прочетете характеристиките на даден модел с електрическо задвижване, ще откриете, че моторът му е „променливотоков, синхронен, с постоянни магнити“. Пионерът Tesla обаче използва други решения в тази насока – асинхронни мотори във всички досегашни модели и комбинация от асинхронен и т.нар. „мотор с превключваемо магнитно съпротивление (Switched Reluctance Motor) като задвижващ агрегат на задния мост при Model 3 Performance. В по-евтините версии само със задно предаване той е единствен. Audi също използва асинхронни мотори за модела q-tron и комбинация от синхронен и асинхронен за очаквания Q4 e-tron. За какво всъщност става дума?

Електрическата машина на Никола Тесла 
 
Фактът, че Никола Тесла изобретява асинхронния, или другояче казано, „индукционен“ електромотор (още в края на ХІХ век), няма пряка връзка с факта, че моделите на Tesla Motors са сред малкото автомобили, задвижвани от подобна машина. Всъщност принципът на работа на двигателя на Тесла става по-популярен през 60-те години, когато полупроводниковите прибори постепенно заемат място под слънцето и американският инженер Алън Кокони конструира портативни полупроводникови инвертори, които могат да превръщат постоянния ток (DC) на батерията в променлив (AC), какъвто е необходим за асинхронния мотор, и обратно (в процеса на рекуперация). Тази комбинация от инвертор (известен и като трансвертер в инженерните среди) и електрически мотор, проектирана от Кокони, става основа на задвижването на небезизвестния GM EV1, а в по-усъвършенстван вид и в спортния tZERO. По подобие на търсенията на японските инженери от Toyota в процеса на създаването на Prius и откриването на патента на компанията TRW, създателите на Tesla откриват автомобила tZERO. В края на краищата те купуват лиценза на tZero и го използват при създаването на Roadster.
Най-голямото предимство на индукционния мотор се състои във факта, че не използва постоянни магнити и не се нуждае от скъпи или редки метали, които освен това често се добиват в условия, създаващи морални дилеми у потребителите. Както индукционните, така и синхронните мотори с постоянни магнити обаче се ползват с пълна сила от технологичния напредък в областта на полупроводниковите прибори и в създаването на MOS FET транзисторите и по-късно на двуполюсните транзистори с изолиран гейт (IGBT). Именно този напредък позволява конструирането на споменатите компактни инверторни устройства и въобще на цялата силова електроника в електромобилите. Фактът, че възможността за ефективно преобразуване на постоянния ток на батериите в променлив трифазен и обратно се дължи в голяма степен на прогреса в областта на технологиите за управление, може да звучи тривиално, но трябва да се има предвид, че големината на тока в силовата електроника достига нива, в пъти по-високи от обичайните в битовата електрическа мрежа и нерядко стойностите надвишават 150 ампера. При това се генерират големи количества топлина, с които силовата електроника трябва да се справи. 
Но да се върнем на въпроса с електромоторите. Както и двигателите с вътрешно горене, те могат да бъдат разделяни по различни квалификационни параметри и „синхронизацията“ е един от тях. Всъщност тя е следствие от много по-важния различен конструктивен подход от гледна точка на генерирането и взаимодействието на магнитните полета. Въпреки факта, че източникът на електрическа енергия в лицето на акумулаторната батерия е постояннотоков, конструкторите на електрическите системи и за миг не си помислят да използват постояннотокови електромотори. Дори при отчитане на загубите от преобразувания, променливотоковите агрегати и най-вече синхронните печелят съревнованието с постояннотоковите. И така, какво всъщност означава синхронен или асинхронен мотор?

Автомобилните компании е електромоторите 
 
Както синхронните, така и асинхронните мотори са от типа електрически машини с въртящо се магнитно поле, които имат по-висока плътност на мощността. В общия случай роторът на асинхронните се състои от прост пакет плътни ламарини, метални пръти от алуминий или мед (все по-често използвана напоследък) с намотки в затворена верига. Токът тече в намотките на статора в срещулежащи двойки, като във всяка двойка протича ток от една от трите фази. Тъй като във всяка една от тях той е дефазиран на 120 градуса спрямо другата, се получава т.нар. въртящо се магнитно поле. Пресичането на намотките на ротора от магнитните силови линии, от полето създадено от статора, води до протичане ток в ротора по подобие на взаимодействията при трансформатора.
Създаденото в резултат от това магнитно поле си взаимодейства с „въртящото“ се в статора и това води до механично увличане на ротора и последващо въртене. При този тип електромотори обаче роторът винаги изостава спрямо полето, защото ако няма относително движение между полето и ротора, няма да се индуцира магнитно поле в ротора. Така нивото на максималните обороти се определя от честотата на захранващия ток и натоварването. И все пак поради по-високата ефективност на синхронните мотори повечето производители се придържат към тях, но поради някои споменати по-горе причини Tesla си остава привърженик на асинхронните. 
Да, тези машини са по-евтини но пък имат своите несъвършенства и всички хора, тествали няколко последователни ускорения с Model S, ще ви разкажат как показателите драстично намаляват с всяко следващо повторение. Процесите на индукция и протичане на ток водят до нагряване и когато при голямо натоварване машината не бъде охладена, топлината се натрупва и възможностите й значително намаляват. С цел предпазване електрониката намалява големината на тока, а показателите по отношение на ускорението се влошават. И още нещо – за да бъде използван като генератор, асинхронният мотор трябва да бъде подмагнитен – тоест да „пусне“ първоначален ток през статора, който да генерира поле и ток в ротора, за да започне процесът. След това той може сам да се захранва.  

Асинхронни или синхронни мотори 
 
Синхронните агрегати имат значително по-висок КПД и плътност на мощността. Съществената разлика с асинхронния мотор е, че магнитното поле в ротора не се индуцира при взаимодействие със статорното, а е резултат или от протичащия ток през допълнителни намотки, монтирани в него, или от постоянни магнити. Така полето в ротора и това в статора са синхронни, но максималните обороти на двигателя зависят също от въртенето на полето, респективно от честотата на тока и натоварването. За да се избегне необходимостта от допълнително захранване на намотките, с което се увеличава разходът на електроенергия и сложността на управлението на тока, в съвременните електромобили и хибридни модели се използват електромотори с т.нар. постоянно възбуждане, тоест с постоянни магнити. Както споменахме, почти всички производители на подобни автомобили в момента използват агрегати от този тип, поради което, според мнозина специалисти, тепърва ще се появява проблемът с дефицита на скъпите редкоземни елементи неодим и диспрозий. Намаляването на употребата им е част от търсенията на инженерите в тази област. 
Конструирането на роторната сърцевина дава най-много възможности за подобряване на показателите на електрическата машина.
Съществуват различни технологични решения с повърхностен монтаж на магнитите, дискова форма на ротора, с вътрешно интегрирани магнити. Интересно тук е решението на Tesla, използващо за задвижването на задния мост на Model 3 споменатата по-горе технология, наречена електромотор с превключваемо магнитно съпротивление (Switched Reluctance Motor). „Релуктантността“, или магнитното съпротивление, е термин, обратен на магнитната проводимост по подобие на електрическото съпротивление и електрическата проводимост на материалите. При двигателите от този тип се използва явлението, при което магнитният поток се стреми да премине през частта от материала с най-малко магнитно съпротивление. Като следствие от това той измества физически материала, през който протича, за да премине през частта с най-ниско съпротивление. Този ефект се използва в електромотора за създаване на въртеливо движение – за целта в ротора се редуват материали с различно магнитно съпротивление: твърди (под формата на феритни неодимови дискове) и меки (стоманени дискове). В стремежа си да премине през материала с по-ниско съпротивление магнитният поток от статора завърта ротора, докато той се позиционира така, че това да се случва. С управление на тока полето постоянно завърта ротора в удобно положение. Тоест въртенето не се инициира в такава степен от взаимодействието на магнитни полета, колкото от стремежа да полето да протече през материала с най-ниско съпротивление и произтичащия от това ефект на завъртане на ротора. С редуването на различни материали се намалява количеството на скъпите компоненти. 
В зависимост от конструкцията се променя и кривата на ефективността, респективно въртящият момент в зависимост от оборотите на двигателя. По начало най-ниска ефективност има асинхронният мотор, а най-висока този с повърхностно монтирани магнити, но при последния тя силно намалява с оборотите. Своеобразен хибриден характер има моторът на BMW за i3, който използва конструкция, съчетаваща постоянни магнити и гореописаният ефект на „релуктантност“. Така електромоторът достига високите нива на постоянна мощност и въртящ момент, характерни за машините с електрическо възбуждане на ротора, но е със значително по-ниско тегло от тях (последните са ефективни по много показатели, но не и по отношение на теглото). След всичко казано става ясен и фактът, че ефективността намалява при високи обороти, и затова все повече производители заявяват, че ще се ориентират към двустепенни трансмисии за електромотори. 
 
Текст: Георги Колев
 
 
 
Коментари
comments powered by Disqus