Какие факторы могут привести к снижению КПД двигателя?

Двигатели являются основными силовыми компонентами современных автомобильных систем, и их эффективность напрямую влияет на производительность автомобиля, энергопотребление и срок службы. Дляавтомобильные моторы— включая тяговые двигатели электромобилей, двигатели гибридной трансмиссии и вспомогательные двигатели — низкий КПД сокращает запас хода электромобилей, увеличивает расход топлива гибридных электромобилей и увеличивает затраты на долгосрочное техническое обслуживание из-за ускоренного износа.

Неэффективность двигателя в основном обусловлена ​​пятью основными потерями: потерями в меди статора, потерями в меди ротора, паразитными потерями, потерями в железе и механическими потерями. Эти потери взаимозависимы в работе, и понимание их причин имеет решающее значение для оптимизации двигателей в соответствии со строгими отраслевыми стандартами эффективности. В этой статье анализируется каждый тип потерь, его влияние на автомобильное применение и основные факторы, способствующие этому.

I. Введение

Спрос на высокоэффективные автомобильные двигатели растет на фоне глобальной электрификации и ужесточения норм выбросов. КПД двигателя относится к отношению выходной механической мощности к входной электрической мощности, при этом рассеиваемая энергия (тепло, шум, трение) классифицируется как потери. В отличие от промышленных двигателей, работающих в стабильных условиях, автомобильные двигатели работают динамично — с изменяющимися скоростями, нагрузками и температурами, что увеличивает потери и требует целенаправленной оптимизации эффективности.

Низкая эффективность напрямую вредит производительности автомобиля: она может сократить запас хода электромобиля на 5–15% и повысить расход топлива гибридного автомобиля на 3–8%. Чрезмерное тепло от потерь ускоряет износ компонентов, повреждает обмотки и подшипники и активирует тепловую защиту, ограничивающую выходную мощность. Выявление причин потерь помогает производителям разрабатывать долговечные и эффективные двигатели, а группам технического обслуживания осуществлять целенаправленные исправления.

II. Потери в меди статора

Основное влияние

Потери в меди статора, также известные как потери I²R, являются основным источником неэффективности двигателя: они составляют 30–50 % от общих потерь при нормальных условиях эксплуатации и возрастают до 60 % при сценариях с высокими нагрузками, таких как движение в гору или буксировка тяжелых грузов. Эти потери возникают, когда электрический ток протекает через обмотки статора, выделяя тепло из-за собственного сопротивления медных проводников в соответствии с законом Джоуля (потери пропорциональны квадрату тока и сопротивления обмотки). Результирующее повышение температуры не только снижает эффективность преобразования энергии, но также рискует повредить изоляцию, а снижение выходной мощности напрямую влияет на ускорение автомобиля и тяговую способность.

Конкретные причины

1. Сопротивление обмотки. Сопротивление обмотки напрямую связано с потерями в меди по формуле R = ρL/A (удельное сопротивление × длина / площадь поперечного сечения). Тонкие провода, большая длина обмотки, использование примесей меди или окисление проводников увеличивают сопротивление. Например, медный провод диаметром 1 мм имеет в четыре раза более высокое сопротивление, чем провод той же длины диаметром 2 мм, что удваивает потери в меди при том же токе — критическая проблема в компактных устройствах.авто электродвигательгде ограничения по пространству ограничивают размер провода.

2. Плотность тока. Более высокая плотность тока (амперы на единицу площади провода) значительно увеличивает потери в меди. Высокопроизводительные автомобильные двигатели, такие как тяговые электродвигатели, обычно работают при токе 20–30 А/мм², а перегрузка может повысить этот показатель до 35+ А/мм². Традиционные стартеры испытывают плотность переходного тока более 50 А/мм² во время холодного запуска, что повышает риск потерь и создает большую нагрузку на изоляцию обмоток.

3. Дефекты обмотки. Неправильная техника намотки (неравномерное расстояние, слабые соединения) приводит к образованию горячих точек и повышению сопротивления, что со временем может привести к коротким замыканиям.

4. Термическая деградация. Высокие температуры снижают проводимость меди и повреждают изоляцию, увеличивая сопротивление и создавая цикл увеличения потерь.

III. Потери в меди ротора

Основное влияние

Потери в меди ротора характерны для асинхронных автомобильных двигателей, часто используемых в гибридных силовых агрегатах, и вызваны вихревыми токами, индуцируемыми в обмотках ротора, и скольжением между магнитным полем статора и ротором. Эти потери составляют 10–20 % от общих потерь при номинальной нагрузке и могут возрасти до 30 % на низких скоростях — частый сценарий при движении по городу с частыми остановками и троганиями с места. В результате нагрев ротора снижает выходной крутящий момент на 5-8%, что напрямую наносит ущерб топливной экономичности HEV и запасу хода подключаемого гибрида.

Конкретные причины

1. Скольжение. Скольжение означает разницу скоростей между магнитным полем статора и фактической скоростью ротора. Более высокое скольжение (3-8% при больших нагрузках или быстром ускорении по сравнению с 1-2% при постоянном движении) увеличивает ток ротора и, следовательно, потери в меди. Например, асинхронный двигатель мощностью 20 кВт, работающий с проскальзыванием 5% при 1000 об/мин, будет испытывать в 2,5 раза большие потери в меди ротора, чем при работе с проскальзыванием 1%, что делает это ключевой проблемой для эффективности вождения в городе.

2. Сопротивление ротора. Алюминиевые роторы, широко используемые в экономичных автомобильных двигателях, таких как генераторы переменного тока, имеют удельное сопротивление на 63 % выше, чем медные роторы, что приводит к увеличению потерь в меди на 20–30 % при той же конструкции. Загрязнение дорожной солью или влагой, а также неплотные соединения между стержнями ротора и концевыми кольцами еще больше увеличивают сопротивление и со временем увеличивают потери.

3. Вихревые токи ротора. Высокочастотные токи статора (от преобразователей частоты) вызывают дополнительные токи ротора, увеличивая потери в меди в современных автомобильных электродвигателях.

IV. Случайные потери

Основное влияние

Случайные потери, также называемые различными потерями, составляют 5–15 % от общих потерь при нормальной работе и до 20 % в высокочастотных автомобильных двигателях, например, с питанием от систем электромобилей напряжением 800 В. Эти потери происходят за пределами основных обмоток статора и ротора, их трудно измерить напрямую и они проявляются в виде тепла и электромагнитных помех (ЭМП). ЭМП могут нарушить работу электронных систем автомобиля, таких как датчики и информационно-развлекательные системы, а избыточное тепло ускоряет старение изоляции, что делает паразитные потери критически важным фактором для высокоскоростных автомобильных двигателей.

Конкретные причины

1. Магнитные поля утечки. Не весь магнитный поток, генерируемый статором, связан с ротором; некоторые утечки в корпус двигателя, торцевые щиты или соседние компоненты (известные как индуктивность утечки). Этот поток утечки индуцирует вихревые токи в проводящих частях, генерируя тепло и паразитные потери. В компактных автомобильных двигателях с небольшими воздушными зазорами (например, в двигателях со ступицами колес) паразитные потери на 30–40% выше из-за близкого расположения компонентов, которые производители уменьшают, встраивая в корпус двигателя барьеры из немагнитного потока.

2. Гармоники. Высокочастотные гармоники, генерируемые ЧРП, усиливают паразитные потери в 2–3 раза. Плохая фильтрация ухудшает потерю эффективности и электромагнитные помехи в автомобильном электродвигателе электромобиля.

3. Асимметрия. Несоосность статора и ротора или производственные дефекты искажают магнитные поля, увеличивая потери, которые усугубляются вибрацией автомобиля.

V. Потери железа

Основное влияние

Потери в железе, или потери в сердечнике, возникают из-за магнитного гистерезиса и вихревых токов в сердечниках статора и ротора, составляя 10-25% общих потерь при номинальной скорости и до 40% при высоких скоростях (15 000+ об/мин). Эти потери увеличиваются пропорционально квадрату рабочей частоты, что делает их серьезной проблемой для автомобильных двигателей с регулируемой скоростью: у электродвигателя, работающего со скоростью 10 000 об/мин, потери в железе будут в девять раз выше, чем при 3 000 об/мин, что напрямую влияет на эффективность и запас хода на высокой скорости.

Конкретные причины

1. Гистерезисные потери. Гистерезисные потери возникают в результате многократного намагничивания и размагничивания материала сердечника (обычно кремниевой стали) при изменении магнитного поля статора. Высококачественная кремнистая сталь с узкой петлей гистерезиса снижает эти потери на 15-20% по сравнению с низкосортными материалами. В автомобильных двигателях с постоянными магнитами плотность потока магнита также влияет на потери на гистерезис, что требует тщательного подбора материалов при проектировании.

2. Потери на вихревые токи: пропорциональны толщине ламината и квадрату частоты. Тонкие изолированные пластины сокращают потери на 60-70% в автомобильном электродвигателе с ЧРП.

3. Магнитное насыщение. Чрезмерный поток искажает поля, увеличивая потери, что критически важно для автомобильных двигателей с высоким крутящим моментом, требующих тщательного проектирования сердечника.

VI. Механические потери

Основное влияние

Механические потери, вызванные трением и ветровым сопротивлением (сопротивлением воздуха), составляют 5-10% от общих потерь на номинальной скорости и до 25% на сверхвысоких скоростях (20 000+ об/мин) для высокопроизводительных электродвигателей. Эти потери постоянны при заданной скорости и становятся значительными при длительной езде по шоссе. Они снижают выходной крутящий момент на 3–5 % и напрямую влияют на запас хода EV: снижение механических потерь на каждый 1 % может увеличить запас хода на 0,5–1 %, что делает их ключевой целью оптимизации.

Конкретные причины

1. Трение подшипников. На подшипники приходится 60-70% общих механических потерь. Плохая смазка, изношенные дорожки качения подшипников, несоосность вала или чрезмерная предварительная нагрузка могут привести к удвоению потерь на трение. Смазки на основе синтетической полимочевины или перфторполиэфира превосходят традиционные смазки на основе лития в автомобильных температурных диапазонах (от -40 ℃ до 150 ℃), помогая поддерживать низкий уровень трения в автомобильных электродвигателях, работающих в экстремальных условиях.

2. Потери на ветер: пропорциональны квадрату скорости. Аэродинамический дизайн и смазка масляным туманом снижают потери в высокооборотных автомобильных двигателях.

3. Трение уплотнений. Изношенные уплотнения увеличивают трение и повышают риск утечек, что приводит к повреждению электродвигателя автомобиля и снижению эффективности.

VII. Ключевые факторы, касающиеся автомобильных электродвигателей и автомобильных двигателей

Оптимизация эффективности автомобильного электродвигателя требует учета конкретных автомобильных условий. Ключевые стратегии для производителей и групп технического обслуживания включают в себя:

1. Выбор материала. Использование бескислородной меди с высокой проводимостью для обмоток снижает потери в меди на 20-30% по сравнению с алюминием. Кремниевая сталь с низкими потерями или сердечники из аморфного металла минимизируют потери в железе, а керамические подшипники (с более низким коэффициентом трения, чем сталь) и синтетические смазки сокращают механические потери. Эти обновления материалов имеют решающее значение для высокоэффективных автомобильных двигателей.

2. Оптимизация конструкции: утолщение обмоточных проводов и использование обмоток с коротким шагом уменьшают сопротивление и плотность тока. Минимизация воздушных зазоров между статором и ротором (до 0,3–0,5 мм для прецизионных двигателей) снижает поток рассеяния и паразитные потери. Аэродинамическая конструкция ротора и системы жидкостного охлаждения дополнительно оптимизируют эффективность за счет снижения потерь на ветер и рассеивания тепла при работе с высокими нагрузками.

3. Контроль качества. Точное производство и проверка компонентов сводят к минимуму дефекты, которые увеличивают потери в автомобильных двигателях.

4. Техническое обслуживание. Регулярная замена подшипников/уплотнений, смазка и настройка ЧРП сохраняют эффективность и срок службы двигателя.

VIII. Заключение

Низкий КПД автомобильных двигателей является совокупным результатом электрических и механических потерь, которые усугубляются суровыми динамическими условиями работы автомобильных систем. Для электрифицированных транспортных средств целенаправленное снижение потерь является не только императивом производительности, но и ключевым фактором увеличения запаса хода и снижения затрат на владение.

Понимание причин и последствий каждого типа потерь позволяет производителям создавать более эффективные группы по техническому обслуживанию автомобильных электродвигателей и принимать упреждающие меры. По мере того как автомобильная промышленность движется к полной электрификации, оптимизация эффективности двигателей будет оставаться ключевым моментом для достижения целей устойчивого развития и повышения конкурентоспособности транспортных средств.