Δοκιμαστική κίνηση σύγχρονου κινητήρα: τι σημαίνει;

Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα εξακολουθούν να επισκιάζονται από την ανάπτυξη της μπαταρίας

Η ταχεία ανάπτυξη υβριδικών κινητήρων και η άνευ προηγουμένου πρόοδος τα τελευταία χρόνια στον τομέα των ηλεκτρικών οχημάτων αποτελούν το κύριο επίκεντρο της ανάπτυξης της τεχνολογίας μπαταριών. Απαιτούν μέγιστους πόρους από προγραμματιστές και αποτελούν τη μεγαλύτερη πρόκληση για τους σχεδιαστές. Ωστόσο, δεν πρέπει να υποτιμούμε το γεγονός ότι η πρόοδος στην ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών ιόντων λιθίου συνοδεύεται από σημαντική πρόοδο στον τομέα της ρύθμισης ισχύος των ηλεκτρικών ρευμάτων και των ηλεκτρικών κινητήρων. Αποδείχθηκε ότι αν και οι ηλεκτρικοί κινητήρες έχουν υψηλή απόδοση, έχουν σοβαρό πεδίο ανάπτυξης.

Οι σχεδιαστές αναμένουν ότι αυτή η βιομηχανία θα αναπτυχθεί με εξαιρετικά υψηλό ρυθμό, όχι μόνο επειδή τα ηλεκτρικά οχήματα γίνονται πιο συνηθισμένα, αλλά και επειδή η ηλεκτροδότηση των οχημάτων με καύση είναι ένα σημαντικό στοιχείο των επιπέδων εκπομπών που ορίζονται στην Ευρωπαϊκή Ένωση.

Αν και ο ηλεκτροκινητήρας έχει μακρά ιστορία, οι σχεδιαστές αντιμετωπίζουν νέες προκλήσεις σήμερα. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες, ανάλογα με το σκοπό, μπορούν να έχουν στενό σχεδιασμό και μεγάλη διάμετρο ή μικρή διάμετρο και μακρύ αμάξωμα. Η συμπεριφορά τους σε καθαρά ηλεκτρικά οχήματα διαφέρει από εκείνη στα υβρίδια, όπου πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η θερμότητα που παράγεται από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης. Για ηλεκτρικά οχήματα, το εύρος ταχύτητας είναι μεγαλύτερο και εκείνα που είναι εγκατεστημένα σε ένα παράλληλο υβριδικό σύστημα στο κιβώτιο ταχυτήτων πρέπει να βελτιστοποιηθούν ώστε να λειτουργούν εντός του εύρους ταχύτητας του κινητήρα καύσης. Τα περισσότερα μηχανήματα λειτουργούν με υψηλή τάση, αλλά τα ηλεκτρικά μηχανήματα 48 volt θα γίνουν όλο και πιο δημοφιλή.

Γιατί κινητήρες AC

Παρά το γεγονός ότι η πηγή ηλεκτρικής ενέργειας στο πρόσωπο της μπαταρίας είναι συνεχές ρεύμα, οι σχεδιαστές ηλεκτρικών συστημάτων προς το παρόν δεν σκέφτονται να χρησιμοποιούν κινητήρες DC. Ακόμη και λαμβάνοντας υπόψη τις απώλειες μετατροπής, οι μονάδες AC, ειδικά οι σύγχρονες, ξεπερνούν τις μονάδες DC. Αλλά τι σημαίνει πραγματικά ένας σύγχρονος ή ασύγχρονος κινητήρας; Θα σας παρουσιάσουμε σε αυτό το μέρος του κόσμου της αυτοκινητοβιομηχανίας, επειδή ενώ τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα υπάρχουν εδώ και πολύ καιρό σε αυτοκίνητα με τη μορφή εκκινητών και εναλλακτικών, εντελώς πρόσφατα έχουν εισαχθεί εντελώς νέες τεχνολογίες σε αυτόν τον τομέα.

Η Toyota, η GM και η BMW είναι τώρα μερικοί από τους λίγους κατασκευαστές που έχουν αναλάβει οι ίδιοι την ανάπτυξη και την παραγωγή ηλεκτρικών κινητήρων. Ακόμη και η θυγατρική της Toyota Lexus προμηθεύει αυτές τις συσκευές σε μια άλλη εταιρεία, την ιαπωνική Aisin. Οι περισσότερες εταιρείες βασίζονται σε προμηθευτές όπως οι ZF Sachs, Siemens, Bosch, Zytec ή κινεζικές εταιρείες. Προφανώς, η ταχεία ανάπτυξη αυτής της επιχείρησης επιτρέπει σε τέτοιες εταιρείες να επωφεληθούν από συνεργασίες με κατασκευαστές αυτοκινήτων. Όσον αφορά την τεχνολογική πλευρά των πραγμάτων, στις μέρες μας, για τις ανάγκες των ηλεκτρικών οχημάτων και των υβριδικών, χρησιμοποιούνται κυρίως σύγχρονοι κινητήρες AC με εξωτερικό ή εσωτερικό ρότορα.

Η ικανότητα αποτελεσματικής μετατροπής μπαταριών DC σε τριφασικό AC και αντιστρόφως οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην πρόοδο της τεχνολογίας ελέγχου. Ωστόσο, τα τρέχοντα επίπεδα ηλεκτρονικής ισχύος φτάνουν σε επίπεδα πολύ φορές υψηλότερα από αυτά που βρίσκονται σε οικιακό ηλεκτρικό δίκτυο και συχνά υπερβαίνουν τα 150 αμπέρ. Αυτό παράγει πολλή θερμότητα που πρέπει να αντιμετωπίσει η ηλεκτρονική δύναμη. Προς το παρόν, ο όγκος των ηλεκτρονικών συσκευών ελέγχου εξακολουθεί να είναι μεγάλος επειδή οι ηλεκτρονικές συσκευές ελέγχου ημιαγωγών δεν μπορούν να μειωθούν με ένα μαγικό ραβδί.

Τόσο οι σύγχρονοι όσο και οι ασύγχρονοι κινητήρες είναι ένας τύπος ηλεκτρικών μηχανών περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου που έχουν υψηλότερη πυκνότητα ισχύος. Γενικά, ο ρότορας ενός επαγωγικού κινητήρα αποτελείται από ένα απλό πακέτο συμπαγών φύλλων με περιελίξεις βραχυκυκλώματος. Το ρεύμα ρέει στις περιελίξεις του στάτη σε αντίθετα ζεύγη, με ρεύμα από μία από τις τρεις φάσεις να ρέει σε κάθε ζεύγος. Δεδομένου ότι σε καθένα από αυτά μετατοπίζεται σε φάση κατά 120 μοίρες σε σχέση με το άλλο, προκύπτει το λεγόμενο περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Αυτό, με τη σειρά του, προκαλεί ένα μαγνητικό πεδίο στον ρότορα και η αλληλεπίδραση μεταξύ δύο μαγνητικών πεδίων - που περιστρέφονται στον στάτορα και το μαγνητικό πεδίο του ρότορα, οδηγεί σε συμπαρασυρμό του τελευταίου και επακόλουθη περιστροφή. Ωστόσο, σε αυτόν τον τύπο ηλεκτροκινητήρα, ο ρότορας υστερεί πάντα πίσω από το πεδίο, επειδή εάν δεν υπάρχει σχετική κίνηση μεταξύ του πεδίου και του ρότορα, δεν θα προκαλέσει μαγνητικό πεδίο στον ρότορα. Έτσι, το επίπεδο της μέγιστης ταχύτητας καθορίζεται από τη συχνότητα του ρεύματος τροφοδοσίας και το φορτίο. Ωστόσο, λόγω της υψηλότερης απόδοσης των σύγχρονων κινητήρων, οι περισσότεροι κατασκευαστές μένουν με αυτούς.

Σύγχρονοι κινητήρες

Αυτές οι μονάδες έχουν σημαντικά υψηλότερη απόδοση και πυκνότητα ισχύος. Μια σημαντική διαφορά από έναν επαγωγικό κινητήρα είναι ότι το μαγνητικό πεδίο στον ρότορα δεν δημιουργείται από την αλληλεπίδραση με τον στάτορα, αλλά είναι το αποτέλεσμα είτε του ρεύματος που ρέει μέσω των πρόσθετων περιελίξεων που είναι εγκατεστημένοι σε αυτόν, είτε των μόνιμων μαγνητών. Έτσι, το πεδίο στο ρότορα και το πεδίο στο στάτορα είναι σύγχρονα, και η μέγιστη ταχύτητα κινητήρα εξαρτάται επίσης από την περιστροφή του πεδίου, αντίστοιχα, από τη συχνότητα του ρεύματος και του φορτίου. Προκειμένου να αποφευχθεί η ανάγκη για πρόσθετη τροφοδοσία ρεύματος στις περιελίξεις, γεγονός που αυξάνει την κατανάλωση ισχύος και περιπλέκει τον ισχύοντα κανονισμό σε σύγχρονα ηλεκτρικά οχήματα και υβριδικά μοντέλα, χρησιμοποιούνται ηλεκτρικοί κινητήρες με τη λεγόμενη συνεχή διέγερση, δηλαδή με μόνιμους μαγνήτες. Όπως ήδη αναφέρθηκε, σχεδόν όλοι οι κατασκευαστές τέτοιων αυτοκινήτων χρησιμοποιούν επί του παρόντος μονάδες αυτού του τύπου, επομένως, σύμφωνα με πολλούς ειδικούς, θα εξακολουθεί να υπάρχει πρόβλημα με την έλλειψη δαπανηρών στοιχείων σπάνιων γαιών νεοδυμίου και δυσπροσίου. Οι σύγχρονοι κινητήρες διατίθενται σε διάφορες ποικιλίες και λύσεις μικτής τεχνολογίας, όπως BMW ή GM, αλλά θα σας πούμε περισσότερα για αυτά.

Κατασκευή

Οι αμιγώς ηλεκτρικοί κινητήρες οχημάτων συνήθως συνδέονται απευθείας με το διαφορικό του κινητήριου άξονα και η ισχύς μεταφέρεται στους τροχούς μέσω αξόνων αξόνων, μειώνοντας τις απώλειες μηχανικής μετάδοσης. Με αυτή τη διάταξη κάτω από το δάπεδο, το κέντρο βάρους μειώνεται και η συνολική σχεδίαση του μπλοκ γίνεται πιο συμπαγής. Η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική με τη διάταξη των υβριδικών μοντέλων. Για τα πλήρη υβριδικά, όπως το single mode (Toyota και Lexus) και το dual mode (Chevrolet Tahoe), οι ηλεκτροκινητήρες συνδέονται κατά κάποιο τρόπο με τα πλανητικά γρανάζια του υβριδικού συστήματος μετάδοσης κίνησης, οπότε η συμπαγής κατασκευή απαιτεί ο σχεδιασμός τους να είναι μεγαλύτερος και μικρότερος. διάμετρος. Στα κλασικά παράλληλα υβρίδια, οι συμπαγείς απαιτήσεις σημαίνουν ότι το συγκρότημα που ταιριάζει μεταξύ του σφονδύλου και του κιβωτίου ταχυτήτων έχει μεγαλύτερη διάμετρο και είναι αρκετά επίπεδο, με κατασκευαστές όπως η Bosch και η ZF Sachs να βασίζονται ακόμη και σε σχέδιο ρότορα σε σχήμα δίσκου. Υπάρχουν επίσης παραλλαγές του ρότορα - ενώ στο Lexus LS 600h το περιστρεφόμενο στοιχείο βρίσκεται μέσα, σε ορισμένα μοντέλα της Mercedes ο περιστρεφόμενος ρότορας είναι έξω. Ο τελευταίος σχεδιασμός είναι επίσης εξαιρετικά βολικός σε περιπτώσεις όπου οι ηλεκτροκινητήρες είναι εγκατεστημένοι στις πλήμνες των τροχών.

Κείμενο: Georgy Kolev