Електромоторите: Магнитна терапия

Новите технологии в областта на акумулаторните батерии оставиха в сянката си развитието на електромоторите. То обаче също върви с бурни темпове, а предизвикателствата са от друго естество. Преглед на тенденциите в тази насока.

Бурното развитие на хибридните системи за задвижване и небивалият прогрес на електромобилите в последните години поставя основния акцент върху акумулаторите. Те изискват най-голям ресурс от развойна дейност и са най-голямото предизвикателство за конструкторите. Не бива обаче да подценяваме факта, че прогресът в развитието на авангардните литиево-йонни технологии е съпроводен и от сериозен напредък в областта на силовото управление на електрическите потоци и електромоторите. Оказа се, че въпреки традиционната си висока ефективност и електромоторите имат сериозно поле за развитие.

AC/DC

Макар източникът на електрическа енергия (акумулаторната батерия) да е постояннотоков, конструкторите и за миг не си помислят да използват постояннотокови електромотори. Просто защото дори и при отчитане на загубите от преобразувания, променливотоковите агрегати и най-вече синхронните печелят съревнованието с тях. Но какво всъщност означава синхронен или асинхронен мотор? Налага се да ви въведем по-внимателно в тази част на автомобилния свят, защото, независимо че електрическите машини отдавна съществуват в автомобилите под формата на стартери и алтернатори, напоследък се въвеждат съвсем нови технологии в тази област.

В момента Toyota е единственият производител, който е поел сам развойната дейност и производството на електродвигателите (специално за Prius). Дори и дъщерната й компания Lexus доставя тези агрегати от друга компания - японската Aisin. Доставчик на електромоторите за Mercedes S 400 Hybrid е ZF Sachs, а за Smart ED конструкторите от Щутгарт са избрали английската фирма Zytec. Очевидно е, че бързото развитие на този бизнес дава възможност на подобни компании да берат плодовете на сътрудничеството си с автомобилните производители, компенсирайки в голяма степен вредите от кризата. Що се касае до технологичния аспект на нещата, то понастоящем за нуждите на електромобилите и хибридите се използват основно променливотокови синхронни мотори с външен или вътрешен ротор.

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. Все пак големината на тока в силовата електроника достига нива в пъти по-големи от обичайните в битовота електрическа мрежа - нерядко стойностите надвишават 150 ампера. При това се генерират големи количества топлина, с които силовата електроника трябва да се справи. В момента обемът на управляващото електронно устройство е колкото на средно голяма кофа, но според специалистите на Bosch и Continental той ще се намали наполовина.

Синхронно плуване

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 със свързани накъсо намотки. Токът тече в намотките на статора в срещулежащи двойки, като във всяка протича ток от една от трите фази. Понеже във всяка двойка той е дефазиран на 120 градуса спрямо съседната, се получава така нареченото въртящо се магнитно поле. То от своя страна индуцира магнитно поле в ротора и взаимодействието между двете полета води до 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, в последния няма да се индуцира магнитно поле. 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, а единственият, който в момента използва асинхронен мотор, е Tesla.

Синхронни мотори имат значително по-високо 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 монтирани в него допълнителни намотки, или пък от постоянни магнити. Така полетата в ротора и статора са синхронни, а 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 увеличават разходът на електроенергия и сложността на управлението на тока, в съвременните електромобили и хибридни модели се използват електромотори с така нареченото постоянно възбуждане - тоест с постоянни магнити. Както споменахме, почти всички производители в момента използват агрегати от този тип, поради което, според мнозина специалисти, тепърва ще се появява проблемът с дефицита на скъпите редки елементи неодим и диспрозий.

Конструкцията

Двигателите на автомобилите с чисто електрическо задвижване обикновено се закрепват непосредствено към диференциала на задвижващия мост и мощността се пренася до колелата с помощта на полувалове, с което се намаляват загубите от механичен пренос. При подобно разположение под пода се снижава центърът на тежестта, а общата блокова конструкция е по-компактна. Съвсем различно стоят нещата при хибридните модели. При пълните хибриди от типа one mode (Toyota и Lexus) и two mode (Chevrolet Tahoe, BMW X6, Mercedes ML 450 Hybrid) електродвигателите са свързани по специфичен начин с планетарните механизми в хибридната трансмисия, а в случая компактността изисква конструкцията им да бъде издължена и с по-малък диаметър.

В класическите паралелни хибриди изискванията за компактност означават агрегатът, който се поставя между маховика и предавателната кутия, да е с по-голям диаметър и по-скоро плосък, като производители като Bosch и ZF Sachs дори залагат на дисковидна конструкция на ротора. Вариации има и по отношение на ротора – докато при Lexus LS 600h въртящият се елемент е разположен от вътрешната част, при Mercedes S400h въртящият се ротор е отвън. Последната конструкция е изключително подходяща и в случаите, когато електромоторите са монтирани в главините на колелата.

Така работи електромоторът

Електромоторите превръщат електрическата енергия благодарение на явлението електромагнетизъм и взаимодействието на магнитните полета. При постояннотоковите електромотори въртенето се осъществява благодарение на взаимодействието на магнитното поле, създадено от намотките в статора, и това в ротора. Отблъскващите се и привличащи полюси се създават благодарение на така наречения колектор, включващ плъзгащи се четки, които през равни интервали сменят посоката на тока през навивките в ротора.

Първото най-голямо предимство на променливотоковия мотор е липсата на четки, а ролята на променлив фактор е трифазният (в повечето случаи) променлив ток, който тече през намотките на статора (1). Всяка група срещулежащи намотки е свързана с една от фазите, в която големината и посоката на тока се изменя. Те са така съгласувани, че това да става последователно, като по този начин се получава ефект на движещо се кръгообразно електромагнитно поле.

Текст: Клаус Улрих Блуменщок, Георги Колев