Как работают электрические моторы

Появление электромобилей открывает совершенно новый мир технологий, одной из самых важных из которых является электродвигатель. До сих пор самым важным в конструкции двигателя было количество цилиндров и рабочий объём. Но электромоторы нарушили этот баланс, представив такие новомодные вещи, как статоры, роторы и магнитное поле. Сейчас используются три типа электромоторов — синхронные двигатели с постоянными магнитами, асинхронные двигатели и щёточные синхронные двигатели переменного тока. Принцип работы основных электродвигателей переменного тока Токовые EV-двигатели работают благодаря создаваемому в них электромагнитному полю, а это поле возможно только с помощью переменного тока. Переменный ток имеет постоянно меняющуюся полярность. Это синусоидальная волна, поэтому проще всего представить её как катящиеся волны в океане с их пиками и провалами. Также используются двигатели, работающие на постоянном токе, но они требуют специализированных деталей — щётки и коммутаторы для вращения ротора. Этот тип электромоторов уже давно отошли на второй план из-за множества недостатков. Частота и мощность электродвигателя EV часто меняются для изменения величины создаваемого крутящего момента, но переменный ток имеет решающее значение для современных конструкций. Моторы используют этот ток через две основные части — ротор и статор. Статор — это внешний цилиндрический корпус двигателя, похожий на блок двигателя, внутри которого находится электромагнитная обмотка, обычно изготовленная из меди. Ротор находится внутри статора и может быть с магнитами, без магнитов или иметь катушки, аналогичные статору. Процесс запускается, когда трёхфазный переменный ток проходит через обмотки статора, создавая вращающееся магнитное поле. Это поле отталкивает и притягивает собственное магнитное поле ротора, заставляя его вращаться, что создаёт крутящий момент, который передаётся на трансмиссию. Кроме того, благодаря переменному току, двигатель может передавать энергию в обратном направлении. То есть при рекуперативном торможении двигатель может переключать направления и передавать энергию на инвертор (который преобразует переменный ток в постоянный и наоборот) и обратно на аккумулятор, питающийся постоянным током. Современные электромоторы Несмотря на то что существует множество различных электродвигателей — от щёточных двигателей постоянного тока до двигателей с реактивной тягой, в электромобилях используются несколько конкретных конструкций, причём одни из них более популярны, чем другие. В основном это связано с тем, что автопроизводителям приходится искать компромисс между стоимостью, размером, производительностью, сложностью и воздействием на окружающую среду — всё это выводит нескольких фаворитов на первый план. К ним относятся синхронные двигатели с постоянными магнитами, асинхронные двигатели и щёточные синхронные двигатели переменного тока. Асинхронные моторы Это самая старая конструкция из трёх популярных электромоторов. Свои корни асинхронные электромоторы берут ещё с конца 19 века, когда Никола Тесла и Галилео Феррарис независимо друг от друга открыли чудеса этой технологии. В этой конструкции не нужны редкоземельные материалы, которые повышают цену. Вместо этого используется трёхкатушечная обмотка на статоре и металлические стержни (обычно алюминиевые или медные) на роторе. Трёхфазный переменный ток подаётся в обмотки статора, которые создают вращающееся магнитное поле, индуцированное на роторе. Поскольку ротор состоит из металлических стержней, соединённых торцевыми кольцами, вращающееся магнитное поле заставляет ротор создавать собственную магнитную силу и вращаться в попытке догнать её. Отсюда и происходит название «асинхронный», поскольку для работы двигателя статор должен «тянуть» ротор, создавая мощность, то есть он вращается с небольшим отставанием из-за нагрузки, оказываемой на него. Преимущество этого двигателя в том, что он гораздо менее сложен, чем другие, не требует постоянных магнитов или щёток для вращения, что делает его более дешёвым и надёжным вариантом. Кроме того, поскольку мощность создаётся только при прохождении электрического тока через статор, при отключении тока двигатель практически не создаёт сопротивления на колёсах, что делает его идеальным дополнением к системе AWD, как у Tesla в Model 3 и Volkswagen в ID.4. Даже недавно представленный Nio ET9 получил именно этот тип электромотора. Однако есть и недостатки. Один из них заключается в том, что эти двигатели не способны выдавать такой большой крутящий момент при запуске по сравнению с двигателями на постоянных магнитах и обычно не обладают достаточной мощностью во всём рабочем диапазоне. Синхронные двигатели с постоянными магнитами Большинство мощных моделей используют этот тип двигателя благодаря его эффективности и мощности — от Mercedes EQS и GMC Hummer EV до Rimac Nevera. Вместо того чтобы магнитные поля ротора и статора вращались с разной скоростью, в этом типе двигателя они оба вращаются синхронно. Это получается благодаря включению редкоземельных магнитов, которые постоянно находятся в активном состоянии на роторе. Таким образом, отпадает необходимость в токе, вызывающем вращение. Эти магниты могут быть установлены двумя способами — на поверхности или внутри ротора. Если они устанавливаются на поверхности, то либо приклеиваются на конкретное место, либо создаются в виде кольца, которое размещается вокруг ротора. Поскольку такая конструкция увеличивает вес и может привести к проблемам на высокой скорости, многие производители вместо этого размещают магниты внутри, создавая внутренний двигатель с постоянными магнитами. Преимущества этой системы заключаются в том, что можно использовать сопротивление ротора, это улучшает крутящий момент во всём диапазоне мощности. Кроме того, это позволяет добиться более высокого КПД в широком диапазоне скоростей, особенно низких. Конструкция позволяет уменьшить размеры, но постоянное магнитное поле ротора обеспечивает большую удельную мощность, что делает его популярным вариантом для высокопроизводительных EV, например, Lucid Air Sapphire или Pininfarina Battista. Однако технология не лишена недостатков. Поскольку магниты всегда активны, они создают обратную электродвижущую силу, когда не находятся под нагрузкой. Это создаёт сопротивление автомобилю и может привести к проблемам с нагревом. Кроме того, использование постоянных магнитов приводит к увеличению стоимости производства. Щёточные синхронные двигатели переменного тока Это далеко не новая технология, они появились ещё в 19 веке, когда электромобили были в моде. Идея, лежащая в их основе, очень похожа на двигатель с постоянными магнитами, но вместо магнитов, встроенных в ротор, они получили радиально расположенные электромагнитные катушки, как и статор. Вращение осуществляется за счёт постоянного переключения полярности тока в них, что приводит к противодействию магнитам статора и вращению. Для переключения ротор должен получать энергию, которая поступает через щётки на роторе и коммутатор на статоре. Щётки из углеродного графита, «прижимаются» к коммутатору, который изменяет ток и чередует электромагнитное поле, противостоящее полю статора. Это очень простая конструкция, преимущества которой заключаются в том, что она недорога в производстве и надёжна. Но недостатки заключаются в том, что щётки и коммутатор создают трение и изнашиваются, что означает необходимость их частой замены. Тепло, которое они создают, ограничивает максимальную скорость автомобиля. Кроме того, изнашиваясь, щётки оставляют тонкую плёнку пыли, которая, если её не очищать, может привести к серьёзным повреждениям мотора. Двигатели с постоянными магнитами и асинхронные двигатели рассматривались как наилучшие варианты, поэтому щёточные моторы отошли на второй план, пока BMW не увидела в них новые возможности. Блок Gen5 eDrive дебютировал в 2022 году на электромобилях марки, включая i4, iX, iX3 и i7, и, ко всеобщему удивлению, на всех них установлены щёточные электромоторы. Но BMW устранил основные недостатки этой технологии, сделав её более современной. Электромоторы работают на переменном токе, подобно синхронным двигателям переменного тока, но ротор получает постоянный ток. Щётки всё ещё есть, но вместо коммутатора в них установлены контактные кольца. Щётки закрыты кожухом,чтобы предотвратить попадания пыли в остальную часть двигателя, это позволяет увеличить интервалы между техническим обслуживанием.В результате получились моторы, которые способны на более высокие обороты и большую мощность. Например, i4 M50 выдаёт 536 л.с. А использование щёток позволяет BMW не зависеть от редкоземельных металлов, что снижает затраты и даёт возможность сосредоточиться на обновлении существующей системы, а не на поиске источников.