Tartsa távol az elemeit a jó elektromos autóhoz - könnyű motorhoz

A huszadik század első évtizedében az Egyesült Államokban az összes autó 38% -a dolgozott villamos energián - ez az arány majdnem nullára csökkent az ICE dominanciájának növekedésével az 1920-as években. A mai vágy az energiatakarékosságra és a káros kibocsátások csökkentésére új életet élt az elektromos járművekbe, de a magas költségek és a korlátozott futásteljesítmény visszatartja az értékesítést.

A legtöbb probléma megoldása az elemek javításával függ össze. Természetesen az energiatároló rendszerek fejlesztése - akár akkumulátorok, akár üzemanyagcellák - továbbra is az elektromos járművek fejlesztésének minden stratégiájának részét kell képeznie, de a gépek egy másik alapvető összetevője is javítható: a motor. Az utóbbi négy évben az elektromos autók és teherautók elektromos meghajtású motorjának új koncepciójáról dolgozunk. A legújabb fejlesztésünk nagymértékben javítja a hatékonyságot a hagyományos modellekhez képest - elegendő ahhoz, hogy az elektromos járművek gyakorlatiasabbak és megfizethetőbbek legyenek.

Az elmúlt évben már bizonyított teljesítménye a motor teljes körű laboratóriumi vizsgálatok, és még mielőtt a kocsiba messze van, minden okunk megvan azt hinni, hogy ott fogja bizonyítani, hogy ugyanolyan jó. A motorunk képes lesz arra, hogy növelje a modern elektromos járművek megtett távolságát, még akkor is, ha semmilyen előrelépést nem tapasztalunk az akkumulátor technológiájában.

Feladatunk bonyolultságának megértéséhez fel kell idézni az elektromos motor-áramkör (EM) alapjait. Az ICE EM-hez képest egyszerűbb, csak néhány kritikus elem van. A mechanika házat igényel. Állandónak nevezik, mert nem mozog. Szükség van egy rotorra, egy forgó tengelyre és egy forgatónyomatékot hoz létre. Annak érdekében, hogy a motor működjön, az állórésznek és a forgórésznek kapcsolódnia kell a mágnesességhez, és az elektromos energiát mechanikusan kell átalakítania.

A motorok fogalma pontosan különbözik a mágneses interfészek területén. DC egyenáramú motorok esetén a folyadék áramlik a kefékön, amelyek a gyűjtőcsomóponton csúsznak. Az áram átmegy a kollektoron, és energiát szállít a rotorra. A tekercselés állandó mágnesekkel vagy állórész elektromágnesekkel torzul. Az ecsetek, amelyek a kollektoron csúsztatnak, időnként megváltoztatják az áram irányát, és a rotor és az állórész mágnesei ismét taszítják egymást, ennek eredményeképpen a rotor elfordul. Más szóval, a rotációs mozgást egy változó mágneses mező biztosítja, amelyet a tekercseket egy áramforráshoz csatlakoztató kollektor termel és ciklikusan változtatja az áram irányát a rotor forgása közben. Ez a technológia azonban korlátozza a nyomatékot, és kopásnak van kitéve; már nem használják a vontatási EM.

A modern elektromos autóknál váltakozó áramot használ a frekvenciaváltó. Itt egy dinamikus forgó mágneses mező jön létre az állórészben, nem a rotorban. Ez lehetővé teszi, hogy egyszerűsítse a rotor rendszert, amely általában bonyolultabb, mint az állórész, ami megkönnyíti az EM fejlesztésével kapcsolatos összes feladatot.

Kétféle AC motor van: aszinkron és szinkron. A szinkronokra koncentrálunk, mert általában jobban és hatékonyabban dolgoznak.

A fejlett hűtőrendszer a folyadékot közvetlenül a tekercsen keresztül (bal oldalon), és nem a motorháztetőn keresztül (jobbra)

A szinkronmotorok is két típusból állnak. A népszerűbb egy állandó mágneses szinkrongép (PMSM), amely a rotorba beépített állandó mágneseket használ. A forgatáshoz forgó mágneses tér van elrendezve az állórészben. Ez a mező az AC-forráshoz csatlakoztatott állórész-tekercs miatt jön létre. Működés közben a rotor állandó mágneseinek pólusai az állórész forgó mágneses mezőjével vannak elfoglalva, ami a rotor forgását eredményezi.

A Chevrolet Volt és a Bolt, a BMW i3-ban, a Nissan Leaf-ban és számos más gépen egy ilyen rendszer elérheti a 97% -os csúcsteljesítményt. Az állandó mágnesek általában ritkaföldfémekből készülnek; Az élénk példák nagyon nagy teljesítményű neodímiummágnesek, amelyeket 1982-ben a General Motors és a Sumitomo fejlesztettek ki.

Pole szinkronmotorok [Salient-pole synchronous machines (SPSM)] nem állandó, hanem elektromágneseket használnak a rotorban. A lengyelek olyan csövek formájában vannak tekercselve, amelyek kifelé vannak irányítva, mint egy kerék küllői. Ezeket a rotorban lévő elektromágneseket egy közvetlen áramforrás táplálja, amely a kontakt gyűrűkkel csatlakozik hozzájuk. Az érintkező gyűrű, ellentétben a kollektorral, nem változtatja meg az áram irányát. A rotor északi és déli oszlopai statikusak, és a kefék nem tűnnek el olyan gyorsan. Mint a PMSM esetében, a rotor forgása az állórész mágneses tér forgásának köszönhető.

Mivel a rotor elektromágnesjeinek az érintkező gyűrűin keresztül történő táplálására van szükség, ezek a motorok általában valamivel a csúcshatékonyság alatt vannak - a 94-96% tartományban. A PMSM feletti előnye a forgórész mező alkalmazkodóképességében rejlik, ami lehetővé teszi a forgórész számára, hogy nagyobb fordulatszámon hatékonyabban nyerjen nyomatékot. A gép túlhúzására használt teljes hatékonyság nő. Az ilyen motorok egyedüli gyártója a gyártókban a Renault, a Zoe, a Fluence és a Kangoo modellekkel.

A teljesítmény-súly arány javítására a második megközelítés a mágneses tér erősségének növelése, ami növeli a nyomatékot. Ez a jelentés azt jelenti, hogy a tekercshez vasmagot adunk hozzá - bár ez növeli a súlyt, ugyanakkor növeli a mágneses fluxus sűrűségét két nagyságrenddel. Következésképpen gyakorlatilag minden modern EM használ a vasat magokat az állórészben és a rotorban.

Van azonban egy mínusz. Amikor a térerő egy bizonyos határig növekszik, a vas elveszti a fluxus-sűrűség növelésének lehetőségét. Ezen a telítési lehet kismértékben befolyásolja hozzáadásával adalékanyagokat és különböző vas gyártási eljárás, hanem a leghatékonyabb anyagokat korlátozódnak 1,5 V * s / m 2 (V másodpercenként négyzetméterenként, vagy Tesla, T). Csak nagyon drága és ritka vákuumos vas-kobalt anyagok érhetik el a 2 T vagy annál nagyobb mágneses fluxus sűrűségeket.

Végül pedig a harmadik szabványos módszer a nyomaték növelésére - a mező erősítésére a tekercseken áthaladó áram erősítésén keresztül. Ismét vannak korlátozások. Növelje az áramot, és növelje az ellenállásveszteséget, csökkentse a hatékonyságot, és hő keletkezhet, ami károsíthatja a motort. A vezetékeknél a fém, amely a réznél jobb áramot képes ellátni, használható. Ezüst vezetékek is rendelkezésre állnak, de ilyen eszközön való felhasználás abszurd módon drága.

Az áramfelvétel egyetlen gyakorlati módja a hő szabályozására szolgál. A fejlett hűtési megoldások a folyadékot közvetlenül a tekercsek mellett vezetik, és nem messze tőle, az állórészen kívül.

Mindezek a lépések segítenek a súly-teljesítmény arány javításában. Az elektromos autók versenyében, ahol a költségek nem számítanak, a motorok kilogrammonkénti 0,15 kg-ot érhetnek el, ami összehasonlítható a legjobb formula ICE-jével.

Tehát ez tényleg megtörténhet, ha a költség nem zavarja. A fő kérdés az, hogy lehet-e ilyen hatékonyságnövelő technológiákat használni a tömeggyártásban, egy olyan autóban, amelyet megvásárolhat? Olyan motort hoztunk létre, így a kérdésre adott válasz pozitív.

Egyszerű ötletből indultunk el. Az elektromotorok jól működnek mind a motorok, mind a generátorok szerepében, jóllehet az elektromobilok esetében ez a szimmetria nem különösebben szükséges. Az autóhoz olyan motorra van szükség, amely jobban működik a motor szerepében, mint egy generátor szerepében - az utóbbi csak az akkumulátorok regeneratív fékezésével használható.

Az ötlet megértéséhez vegye figyelembe a PMSM motor működését. Ebben a motorban a mozgást két erő alakítja ki. Először is, a permanens mágneseknek köszönhető erő a rotorban. Amikor az áram áthalad az állórész réztekercsén, mágneses mezőt hoznak létre. Idővel az áram egy tekercsről a másikra vezet, és a mágneses mező forogni kezd. Az állórész forgó mezője vonzza a rotor állandó mágneseit, és elindul. Ez az elv a Lorentz-erőre épül, amely egy töltött részecske mozgását befolyásolja egy mágneses mezőben.

De a modern EM-ek a mágneses ellenállásból nyerik az energia egy részét - az erő, amely a vas blokkot a mágneshez vonzza. A forgó állórész mező mind a végleges mágneseket, mind a rotorvasat vonzza. A Lorentz erő és a mágneses ellenállás egymás mellett működnek, és - a motoráramtól függően - közel azonosak egymással. Mindkét erő körülbelül nulla, ha a rotor és az állórész mágneses mezői egyenlőek. Ahogy a szögük nő, a motor mechanikus energiát generál.

Egy szinkron motorban az állórész és a rotor mezők együtt dolgoznak, anélkül, hogy az aszinkron gépekben késleltetett volna. Az állórész mező bizonyos szögben van a forgórész mezőjéhez képest, amely a maximális hatékonyság elérése érdekében állítható. Előre előre kiszámítható az optimális szög a nyomaték létrehozásához egy adott áramerősségnél. Ezután az aktuális változásokhoz igazítja az elektromágneses rendszert, amely váltakozó áramot ad az állórész tekercselésére.

De itt van a probléma: amikor az állórész mező a rotor helyzetéhez képest elmozdul, a Lorentz erő és a mágneses ellenállás nő vagy csökken. A Lorentz erőssége szinuszosodással nő, és a referenciaponttól 90 fokos csúcsot ér el (attól a ponttól kezdve, amikor az állórész és a rotor mezők igazodnak). Az ellenállás erőssége ciklikusan kétszer gyorsabban változik, így 45 fokos csúcsot ér el.

Mivel az erők több ponton elérik a maximális értéket, a motor maximális ereje kisebb, mint részei. Tegyük fel, hogy az adott munkaidő bármelyik motorjánál úgy tűnik, hogy az optimális szög maximum maximális erővel 54 fok. Ebben az esetben ez a csúcs 14% -kal kevesebb lesz, mint a két erő összes csúcsa. Ez a lehető legjobb kompromisszum a rendszerre.

Ha ezt a motort újra tudtuk volna átalakítani, úgyhogy a két erő elérte a maximális értéket a ciklus egy pontjánál, a motor teljesítménye teljesen felszabadult 14% -kal. Elveszítené csak a generátor hatékonyságát. De mi, amint azt az alábbiakban bemutatjuk, megtalálják a módját, hogy visszaállítsuk ezt a képességet is, hogy a motor jobban tudja helyreállítani az energiát a fékezés során.

Az ideális szintezőmotor-mező fejlesztése nem egyszerű feladat. A probléma a PMSM és az SPSM kombinációja egy új hibrid rendszerben. Az eredmény egy hibrid szinkronmotor, melynek elmozdult mágneses ellenállása van. Valójában ez a motor mindkét vezetéket és állandó mágnest használ, hogy mágneses mezőt hozzon létre a rotorban.

Mások megpróbálták dolgozni ebben az irányban, majd elutasították ezt az elképzelést, de csak az állandó mágneseket akarják használni az elektromágneses mező megerősítésére. Innovációnk csak a mágnesek használatát jelenti, hogy pontos formát adjon a mezőnek, hogy a két erő - a Lorentz-erő és a mágneses ellenállás erőssége optimálisan igazodjon.

A fő probléma a tervezés volt, hogy egy design a rotor, amely megváltoztathatja az alakját a területen, miközben elég erős ahhoz, hogy nagy fordulatszámmal forognak, törés nélkül. Rendszerünk középpontjában a rotor több rétegű szerkezete van, amely réz-tekercset hordoz a vasmagon. Az állandó mágnest ragasztottuk a mag pólusaihoz; További tüskék megakadályozzák az indulásukat. Hogy minden a helyén marad, szoktuk erős és könnyű titán csapokat átengedjük az elektromágneses pólusok a rotor, hogy felhívja a dió, rozsdamentes acél gyűrű.

Azt is találtuk, hogy hogyan lehet megkerülni az eredeti motor hiányát, csökkentve a nyomatékot a generátor működése alatt. Most megváltoztathatjuk a mező irányát a rotorban úgy, hogy a regeneratív fékezés során a generáció ugyanolyan hatékonyan működjön, mint a motoros üzemmód.

Ezt elértük, megváltoztattuk az áram irányát a rotor tekercselésében a generátor üzemmódban végzett működés során. Ez így működik. Képzelje el a rotor kezdeti nézetét. Ha sétálni a kerülete talál egy bizonyos sorrendben északi és a déli pólus az elektromágneses (E) és az állandó mágnes (P) forrás: NE, NP, SE, SP. Ezt a szekvenciát annyiszor ismételjük, mint a motorban lévő póluspárok. A tekercselés jelenlegi irányának megváltoztatásával megváltoztatjuk az elektromágneses pólusok tájolását, és csak ezek eredményeként a szekvencia SE, NP, NE, SP változóvá válik.

Miután tanulmányozta ezt a két szekvenciát, látni fogja, hogy a második az elsőhöz hasonló, hátrafelé. Ez azt jelenti, hogy a rotor motoros üzemmódban (első szekvencia) vagy generátor üzemmódban (második) használható, amikor a rotorban lévő áram megfordítja az irányt. Így a gépünk hatékonyabban működik, mint a hagyományos motorok, mind motorok, mind generátorok. A prototípusunkon a jelenlegi irányváltás nem haladja meg a 70 ms-ot, ami elég gyors az autók számára.

Tavaly építettünk prototípusmotort egy munkaasztalon, és alapos tesztek alá vetettük. Az eredmény egyértelmű: azonos teljesítmény elektronika állórész paraméterek és egyéb korlátozások a hagyományos motor, a gép képes az közel 6% -kal nagyobb nyomaték és a 2% -os maximális hatékonysággal. A vezetési ciklusban az eredmények még jobbak: 4.4% -kal kevesebb energiát igényel. Ez azt jelenti, hogy egy 100 km-es töltéssel közlekedő autó 104,4 km-t vezet ezzel a motorral. További kilométerek szinte semmiért nem érkeznek hozzánk, mert a mi rendszerünkben csak néhány további alkatrész van, sokkal olcsóbbak, mint a további elemek.

Több berendezésgyártóval is kapcsolatba léptünk, és koncepciójukat érdekesnek találták, bár hosszú idő telik el, mielőtt az ilyen aszimmetrikus motorok egyikét a gyártókocsiban látnák. De ennek eredményeképpen ez új szabványsá válik, mivel a rendelkezésre álló energia minden lehetséges előnye kivonása mind az autógyártók, mind a társadalom egészének elsődleges fontosságú.