Как работает двигатель электромобиля: все, что вам нужно знать

1. Введение

По мере того, как глобальное стремление к устойчивому развитию ускоряется, электромобили (EV) превратились из нишевой альтернативы в основной выбор для водителей во всем мире. В основе плавной, тихой и мощной работы каждого электромобиля лежит двигатель электромобиля, который часто называют «двигателем электромобиля».электроприводной двигательВ отличие от двигателей внутреннего сгорания, которые доминировали на дорогах уже более столетия, электродвигатели полагаются на электромагнитные силы для создания движения, обеспечивая превосходную эффективность, меньшие затраты на техническое обслуживание и нулевые выбросы выхлопных газов.

Независимо от того, являетесь ли вы нынешним владельцем электромобиля, которому интересно, как работает ваш автомобиль, потенциальным покупателем, изучающим ключевые компоненты, или кем-то, кто хочет понять технологию экологически чистого транспорта, в этом руководстве собрано все, что вам нужно знать о двигателях электромобилей.

2. Основные основы: чем электродвигатели автомобилей отличаются от газовых двигателей

Чтобы по-настоящему понять, как работают двигатели электромобилей, сначала полезно сравнить их с бензиновыми двигателями, с которыми большинство из нас знакомы. Фундаментальное различие сводится к тому, как каждый из них генерирует энергию, а также к неэффективности, связанной с газовыми двигателями.

Бензиновые двигатели работают по четырехтактному циклу (впуск, сжатие, сгорание, выпуск). Они требуют, чтобы топливо смешалось с воздухом, воспламенилось свечой зажигания, и в результате взрыва толкается поршень, который вращает коленчатый вал, приводя в движение колеса. Этот процесс по своей сути неэффективен: только около 20-30% энергии бензина преобразуется в полезное движение, а остальная часть теряется в виде тепла и выхлопных газов.

Электродвигатели автомобилей, напротив, преобразуют электрическую энергию в механическую напрямую, используя электромагнитные принципы. Здесь нет сгорания, нет поршней, нет коленчатого вала и гораздо меньше движущихся частей. Эта простота приводит к значительно более высокому КПД: обычно 75–90 % электрической энергии превращается в полезное движение. Другие ключевые различия включают в себя:

Мгновенный крутящий момент: электродвигатели обеспечивают максимальный крутящий момент с места, обеспечивая быстрое ускорение без необходимости переключения передач.

Тихая работа: отсутствие сгорания или механического шума означает, что электродвигатели работают практически бесшумно.

Меньше обслуживания: меньшее количество движущихся частей означает меньший износ — не требуется замена масла, замена свечей зажигания или ремонт выхлопной системы.

Нулевые выбросы: отсутствие выхлопных труб, что делает электромобили краеугольным камнем транспорта с нулевым уровнем выбросов.

3. Основные принципы работы двигателей электромобилей.

Все двигатели электромобилей работают по одному и тому же основному принципу: электромагнитной индукции, впервые открытой Майклом Фарадеем в 1831 году. Закон Фарадея гласит, что напряжение индуцируется в проводнике, когда он движется через магнитное поле — или когда магнитное поле движется вокруг проводника. Это индуцированное напряжение создает электрический ток, который, в свою очередь, генерирует магнитную силу, вызывающую движение.

Упрощенно, вот как это происходит в электродвигателе:

Двигатель состоит из двух основных частей: неподвижной части и вращающейся части (ротора).
Статор содержит катушки с проводами, на которые подается электрический ток от аккумулятора электромобиля.
Когда ток протекает через обмотки статора, он создает вращающееся магнитное поле.
Ротор, который представляет собой либо постоянный магнит, либо электромагнит, притягивается к вращающемуся магнитному полю статора.

Когда магнитное поле статора вращается, оно тянет за собой ротор, создавая вращательное движение, которое приводит в движение колеса электромобиля.

Ключевым моментом здесь является то, что электродвигатели являются «обратимыми»: когда автомобиль замедляется или тормозит, двигатель действует как генератор, преобразуя кинетическую энергию автомобиля обратно в электрическую энергию для подзарядки аккумулятора (это рекуперативное торможение — функция, которая повышает эффективность электромобиля и запас хода).

4. Ключевые компоненты приводных двигателей электромобилей.

Хотя основной принцип электромагнитной индукции прост, электродвигатель представляет собой сложную совокупность компонентов, которые работают в гармонии, обеспечивая надежную и эффективную мощность. Ниже приведены важные детали, которые вам необходимо знать:

4.1 Статор

Статор — это стационарная внешняя часть двигателя, обычно состоящая из железного сердечника с намотанной на него обмоткой из медной (или алюминиевой) проволоки. Его задача — генерировать вращающееся магнитное поле, которое приводит в движение ротор. Количество обмоток и их расположение определяют скоростные и крутящие характеристики двигателя. В высококачественных статорах используются медные обмотки, обеспечивающие лучшую проводимость и термостойкость, что крайне важно для долгосрочной работы.

4.2 Ротор

Ротор — это вращающийся внутренний компонент, который соединяется с выходным валом двигателя. Существует два основных типа роторов: роторы с постоянными магнитами и индукционные роторы. Роторы с постоянными магнитами более эффективны, поскольку им не требуется внешний ток для создания магнитного поля, а индукционные роторы проще и долговечнее.

4.3 Инвертор

Аккумуляторы электромобилей хранят электричество постоянного тока, но большинству электродвигателей требуется переменный ток (AC) для создания вращающегося магнитного поля. Роль инвертора заключается в преобразовании постоянного тока от аккумулятора в переменный ток для обмоток статора. Он также контролирует частоту и напряжение переменного тока, который регулирует скорость и крутящий момент двигателя. В современных инверторах используются полупроводники из карбида кремния или нитрида галлия для повышения эффективности и более быстрой скорости переключения, что является ключом к увеличению запаса хода электромобилей.

4.4 Редуктор/редуктор

Электродвигатели вращаются с гораздо большей скоростью, чем бензиновые двигатели. Редуктор снижает выходную скорость двигателя, одновременно увеличивая крутящий момент, что делает его пригодным для привода колес. В большинстве электромобилей используется односкоростной редуктор, поскольку кривая крутящего момента двигателя плоская, что исключает необходимость использования нескольких передач. В некоторых высокопроизводительных электромобилях используются двухскоростные коробки передач для повышения эффективности на высоких скоростях.

4.5 Система охлаждения

Как и любой механический/электрический компонент, электродвигатели выделяют тепло во время работы, особенно при большой нагрузке. Избыточное тепло может повредить обмотки, магниты и другие детали, поэтому необходима система охлаждения. В большинстве электродвигателей используется жидкостное охлаждение (аналогично газовым двигателям), при этом охлаждающая жидкость циркулирует вокруг статора и инвертора для рассеивания тепла. В некоторых новых конструкциях используется прямое масляное охлаждение для еще лучшей теплопередачи.

4.6 Датчики и контроллеры

Датчики контролируют работу двигателя в режиме реального времени. Датчики положения отслеживают положение ротора, чтобы гарантировать, что инвертор подает переменный ток правильной частоты. Датчики температуры предотвращают перегрев, а датчики тока защищают от электрических неисправностей. Контроллер двигателя использует данные этих датчиков для регулировки выходной мощности инвертора, обеспечивая плавную, эффективную и безопасную работу.

5. Типы двигателей электромобилей

Не все электродвигатели одинаковы — производители выбирают разные типы в зависимости от стоимости, эффективности, производительности и применения. Тремя наиболее распространенными типами являются синхронные двигатели с постоянными магнитами, асинхронные двигатели и бесщеточные двигатели постоянного тока.

5.1 Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM)

PMSM являются наиболее широко используемыми двигателями в современных электромобилях (например, Tesla Model 3, Nissan Leaf, Toyota Prius Prime). Как следует из названия, в роторе используются постоянные магниты, а скорость ротора «синхронна» с вращающимся магнитным полем статора.

Преимущества: Высокий КПД, высокая удельная мощность и отличный крутящий момент. Недостатки: Более высокая стоимость из-за редкоземельных магнитов и потенциального размагничивания при высоких температурах.

5.2 Асинхронный двигатель (IM)

Асинхронные двигатели были популяризированы в первых электромобилях, таких как Tesla Roadster. В них не используются постоянные магниты — вместо этого ротор состоит из проводящих стержней, а магнитное поле статора индуцирует электрический ток в роторе (посредством электромагнитной индукции), который создает собственное магнитное поле.

Преимущества: более низкая стоимость, высокая долговечность и лучшая производительность при высоких скоростях и высоких температурах. Недостатки: меньший КПД на низких скоростях и меньшая удельная мощность.
Сегодня некоторые производители используют комбинацию PMSM и асинхронных двигателей, чтобы сбалансировать эффективность и производительность: PMSM для повседневного вождения и асинхронный двигатель для высокопроизводительных сценариев.

5.3 Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC)

Двигатели BLDC — это тип синхронного двигателя, в котором используются постоянные магниты в роторе и электронная коммутация для управления магнитным полем статора. Они похожи на PMSM, но используют трапециевидный ток.

Преимущества: Высокая эффективность, низкий уровень шума, длительный срок службы и простота управления. Недостатки: Пульсации крутящего момента ниже, чем у коллекторных двигателей постоянного тока, но выше, чем у двигателей с постоянными магнитами. Двигатели BLDC чаще встречаются в небольших электромобилях, но также используются в некоторых недорогих пассажирских электромобилях.

6. Факторы производительности двигателей электромобилей

При оценке производительности электромобиля характеристики двигателя так же важны, как и емкость аккумулятора. Ниже приведены ключевые факторы, определяющие производительность двигателя электромобиля:

6.1 Мощность (кВт)

Мощность (измеренная в кВт) определяет максимальную скорость и ускорение электромобиля: более высокая мощность означает более быстрое ускорение и максимальную скорость. Например, компактный электромобиль мощностью 100 кВт кажется менее мощным, чем высокопроизводительная модель мощностью 300 кВт.

6.2 Крутящий момент (Нм)

Крутящий момент (Нм) — это вращательная сила, приводящая в движение колеса, обеспечивающая мгновенное ускорение электромобиля с места. В отличие от бензиновых двигателей, электродвигатели обеспечивают максимальный крутящий момент с 0 об/мин, что позволяет даже маломощным электромобилям маневрировать в городах.

6.3 Эффективность (%)

КПД (%) отражает, сколько электричества аккумулятора преобразуется в полезное движение — более высокий КПД увеличивает запас хода (современные электродвигатели: КПД 85–95 % при нормальном использовании). Ключевые факторы: тип двигателя, скорость, нагрузка и охлаждение.

6.4 Плотность мощности (кВт/кг)

Плотность мощности (кВт/кг) — мощность на единицу веса; более высокая плотность означает меньший и более легкий двигатель (критически важен для дальности полета и управляемости). Здесь СДСМ превосходят асинхронные двигатели из-за более легких постоянных магнитов.

6.5 Скорость (об/мин)

Электродвигатели вращаются быстрее (10 000–20 000 об/мин), чем бензиновые двигатели, что обеспечивает высокую скорость вращения. Производители балансируют скорость и эффективность с помощью конструкции коробки передач, поскольку эффективность падает при очень высоких оборотах.

6.6 Управление температурой

Управление температурным режимом жизненно важно для стабильной работы. Перегрев снижает мощность или повреждает компоненты; усовершенствованные системы охлаждения сохраняют производительность даже при высоких нагрузках.

7. Распространенные неисправности и методы их устранения.

Двигатели электромобилей, как правило, надежны, но, как и любой другой компонент, со временем в них могут возникнуть неисправности. Ниже приведены распространенные проблемы и основные методы устранения неполадок:

7.1 Шум двигателя

Причины: изношенные подшипники, незакрепленные компоненты или проблемы с коробкой передач (если применимо). Устранение неполадок: Проверьте ослабление болтов и соединений. Если шум представляет собой пронзительный вой, возможно, проблема в подшипнике. Если слышен скрежет, немедленно прекратите движение — это может указывать на повреждение ротора или коробки передач.

7.2 Уменьшенная мощность/ускорение

Причины: перегрев, проблемы с инвертором или аккумулятором. Устранение неполадок: проверьте указатель температуры электромобиля. В случае перегрева прекратите движение и дайте двигателю остыть. Если аккумулятор заряжен, возможно, проблема связана с инвертором или датчиками — попросите технического специалиста выполнить диагностическое сканирование.

7.3 Двигатель не запускается

Причины: Разряженный аккумулятор, неисправный инвертор или неисправность датчика (например, датчика положения). Устранение неполадок: Проверьте заряд аккумулятора. Если аккумулятор заряжен, проблема, скорее всего, электрическая: попросите технического специалиста проверить инвертор и датчики.

8. Руководство по покупке электродвигателя

Если вы ищетеПродам двигатель электромобиля(например, при изготовлении, замене или обновлении индивидуального электромобиля) следует учитывать следующие ключевые факторы:

8.1 Совместимость

Во-первых, убедитесь, что двигатель совместим с напряжением аккумулятора и шасси вашего электромобиля. В большинстве электромобилей используются системы на 400 В, но в новых высокопроизводительных моделях используются системы на 800 В. Кроме того, проверьте установочные размеры двигателя и размер выходного вала, чтобы убедиться, что он подходит к трансмиссии вашего автомобиля.

8.2 Требования к мощности и крутящему моменту

Определите свои потребности в электроэнергии в зависимости от того, как вы будете использовать электромобиль. Для ежедневного пригородного электромобиля достаточно двигателя мощностью 80–150 кВт. Для более производительной сборки ищите мощность 200+ кВт. Крутящий момент должен соответствовать весу вашего автомобиля: более тяжелым автомобилям (например, внедорожникам) для адекватного ускорения требуется больший крутящий момент (300+ Нм).

8.3 Тип двигателя

Выберите тип двигателя в зависимости от ваших приоритетов: PMSM для эффективности и запаса хода (лучше всего для ежедневного вождения), асинхронный двигатель для долговечности и высокой производительности (лучше всего для нестандартных конструкций или интенсивного использования) или BLDC для низкой стоимости и простоты.

8.4 Бренд и надежность

При выборе двигателей для замены выбирайте надежные бренды — они имеют проверенную репутацию надежности. Для нестандартных сборок ищите двигатели от надежных поставщиков компонентов для электромобилей, например, Pumbaaev. Избегайте дешевых двигателей других производителей — они могут иметь плохой контроль качества и не иметь функций безопасности.

8.5 Гарантия

Хорошая гарантия имеет решающее значение для душевного спокойствия. На большинство запасных двигателей OEM (производителей оригинального оборудования) предоставляется гарантия сроком 1–3 года. На двигатели вторичного рынка гарантия может быть короче, поэтому внимательно читайте мелкий шрифт.

9. Заключение

Двигатель электромобиля — невоспетый герой революции электромобилей, обеспечивающий эффективную, мощную и бесшумную работу, которая меняет представление о транспорте. От основных принципов электромагнитной индукции до сложного взаимодействия таких компонентов, как статор, инвертор и система охлаждения, понимание того, как работают электродвигатели, поможет вам понять, почему они превосходят газовые двигатели во многих отношениях.

Независимо от того, являетесь ли вы нынешним владельцем электромобиля, потенциальным покупателем или любителем создания собственного электромобиля, в этом руководстве описано все, что вам нужно знать: основные отличия от бензиновых двигателей, ключевые компоненты, типы двигателей, факторы производительности, устранение неполадок и как выбрать двигатель электромобиля для продажи. Поскольку технология электромобилей продолжает развиваться (с такими достижениями, как системы на 800 В, инверторы из карбида кремния и магниты, не содержащие редкоземельных элементов), двигатель электромобиля станет только более эффективным, мощным и доступным.

В конце концов, двигатель электромобиля — это больше, чем просто компонент — это двигатель устойчивого будущего. Понимая, как это работает, вы будете лучше подготовлены к принятию обоснованных решений о владении электромобилем и внесете свой вклад в создание более зеленой планеты.