Електродвигун – класифікація і принцип роботи двигуна електромобіля

Електродвигун в сучасному світі сам по собі давно не є чимось новим. Однак зараз цей агрегат став дуже популярним. І в першу чергу завдяки активному розвитку електромобілів. Все частіше виникають дискусії на тему переваг і недоліків електродвигунів, варто брати чи ні електрокар і т.п. У даній статті будуть розглянуті особливості електродвигунів, їх різновиди, переваги і недоліки, а також перспективи подальшого поширення.

Особливості конструкції і принцип роботи

В основі дії будь-якого електродвигуна закладений принцип електромагнітної індукції. Основне призначення електродвигуна полягає в перетворенні електричної енергії в механічну. Таке перетворення здійснюється за допомогою взаємодії двох головних частин електромотора – статора (нерухомої частини) і ротора (рухома частина). Після подачі живлення утворюється в статорі магнітне поле впливає на ротор, в результаті чого останній починає обертатися, звідки і створюється крутний момент.

Різновиди і класифікація

Існує досить багато різних електродвигунів, що відрізняються по конструкції, принципу дії, характеристикам. Всі їх можна класифікувати наступним чином:

Двигун постійного струму (ДПТ):

• колекторний (наявність щітково-колекторного вузла):
  • з постійними магнітами;
  • з послідовним збудженням (послідовна обмотка статора);
  • з паралельним збудженням (обмотка статора і якоря з’єднується паралельно);
  • з незалежним збудженням (обмотка статора харчується з незалежного джерела струму);
  • зі змішаним збудженням (використовується паралельне і змішане підключення).

  Двигун змінного струму:

  • синхронний (ротор і статор обертаються синхронно);
  • асинхронний (ротор і статор обертаються асинхронно):
    • однофазний;
    • двофазний;
    • трифазний;
    • багатофазних

    Двигун постійного струму для електромобіля – перший і самий бюджетний варіант електродвигуна. При цьому, як правило, використовується безколекторний двигун для електромобіля. Більш сучасні і дорогі – асинхронні двигуни.

    Додаткова інформація. Використовувати асинхронний двигун для електромобіля – одне з ключових рішень інженерів Tesla. В результаті потужний двигун електромобіля Тесла став запорукою динамічності цих електрокарів, що, багато в чому, і забезпечило вибір споживачів.

    Особливості синхронних і асинхронних двигунів

    Синхронні двигуни характеризуються такими особливостями.

    • постійна швидкість обертання;
    • високий ККД;
    • невелика реактивна складова;
    • можливість працювати з перевантаженням.
    • висока ціна;
    • складна конструкція;
    • складна система запуску;
    • потреба в наявності джерела постійної напруги;
    • складність регулювання.

    Асинхронні двигуни характеризуються такими моментами.

    • проста схема пуску (безпосередньо до електромережі);
    • допустимість перевантажень (але короткочасних);
    • можливість отримувати високу потужність двигуна;
    • нескладна конструкція;
    • досить просте технічне обслуговування;
    • невисока вартість.
    • обмеження граничної швидкості обертання (не може перевищувати 3000 об / хв);
    • високі пускові струми;
    • складність регулювання частоти обертання.

    Класифікація електромобілів на кшталт використання електродвигуна

    Гібриди (Hybrids Electric Vehicle або HEV) – це перші кроки в побудові електромобіля. Таку машину складно назвати електрокаром в повному розумінні цього слова, оскільки ДВС (бензиновий або дизельний двигун) в них як і раніше виступав в якості основного агрегату. Тоді як електродвигун грав другорядну роль і заряджався від енергії ДВС. Відповідно і запас ходу такого електродвигуна був зовсім невеликий. Хоча на пізні моделі гібридів встановлювалася вже більш ємна батарея, продаж таких машин не відрізнялася великим попитом. Причиною була складна і досить дорога в обслуговуванні система.

    Плагін-гібриди (Plug-in Hybrid Electric Vehicle або PHEV) також мали одночасно ДВС і електромотор, проте в них вже передбачалася можливість заряджати батарею від звичайної побутової розетки. Завдяки збільшеній потужності батареї, запас ходу плагін-гібрида на електродвигуні міг досягати 80 км.

    «Гібрид навпаки» (Range-Extended Electric Vehicle або REEV) – електрокар, в якому також використовується два двигуна, однак електрична установка є головною, а ДВС – другорядним. У таких машинах ДВС використовується тільки для вироблення енергії для електродвигуна. Така конструкція, з одного боку, економить паливо при використанні електродвигуна, а з іншого легко вирішує проблему обмеженості пробігу, оскільки АЗС можна знайти практично скрізь.

    Класичний електромобіль (Battery Electric Vehicle або BEV) – авто, яке пересувається виключно за рахунок енергії, що виробляється електричною силовою установкою. Екологічно (або майже екологічно) чистий транспорт, який в даний час набирає свою популярність. Зарядка електродвигуна можлива на спеціалізованих електрозаправках, від побутової розетки або мобільних станцій.

    Електромобіль на паливних елементах (Fuel Cell Electric Vehicle або FCEV). Як видно з назви, джерелом енергії для електродвигуна тут виступає не батарея, а паливний елемент (стиснений водень).

    Двигун-колесо

    Двигун-колесо або по-іншому мотор-колесо – комплексна система, яка складається з наступних агрегатів: колесо, електродвигун, силова передача. Також може додатково використовуватися гальмівна система. Вперше концепція такого пристрою з’явилася ще в 1884 році. Така система отримує харчування від акумулятора (на гібридах – від ДВС). При цьому електричний двигун має два режими роботи – тяговий (приведення колеса в рух) і генераторний (фактично є системою рекуперації, при якій енергія гальмування застосовується для зарядки акумуляторної батареї).

    Така система досить часто використовується на електровелосипед, гіроскутерах, електросамокатах і т.п. Останнім часом на неї звернули увагу і в автомобілебудуванні, завдяки наступним його переваг:

    • відсутність великої кількості обладнання;
    • відмінна динаміка;
    • спрощення системи рекуперації;
    • можливість використовувати як в двигунах з ДВС, так і в електрокарах.

    Переваги та недоліки електродвигунів

    До числа переваг електродвигунів відносяться наступні:

    • високий ККД (приблизно 90-95%);
    • відсутність втрат на тертя трансмісії;
    • максимальний крутний момент відразу при запуску;
    • низькі експлуатаційні витрати;
    • екологічність;
    • простота конструкції;
    • можливість гальмування двигуном;
    • відсутність коробки передач;
    • низький рівень шуму.

    До числа недоліків таких двигунів відносяться:

    • обмежена за часом робота в автономному режимі;
    • необхідність наявності джерела живлення (акумулятори, зарядні станції);
    • тривалий час зарядки.

    Зверніть увагу. Саме зазначені проблеми поки що стримують широке поширення електромобілів. І якщо питання з часом зарядки вже частково вирішено (з’явилися станції, що підтримують стандарт швидкої зарядки), то проблема з обмеженим ресурсом пробігу на одній зарядці залишається актуальною.

    Перспективи розвитку електродвигунів

    Розмірковуючи про перспективи електродвигунів, варто відзначити той факт, що сьогодні дуже багато пристроїв, як побутових, так і промислових, мають електродвигун. Поява електромобілів дало новий поштовх розвитку електродвигуна.

    Важливо. Зараз постійно проводяться дослідження, метою яких є зробити двигун на електромобіль краще: підвищити показники потужності та експлуатаційні характеристики, поліпшити ККД, продовжити термін служби, оптимізувати пристрій двигуна електромобіля. Популярне і вкрай важливу справу – поліпшення екологічної ситуації в світі – також буде сприяти тому, що двигун для електромобіля буде розвиватися і далі, адже він набагато екологічніше, ніж автомобіль з ДВЗ.

    Таким чином, можна з упевненістю стверджувати, що електродвигун, був, є і буде. Принаймні до тих пір, поки не винайдуть якийсь скоєно новий тип двигуна.

    Розрахунок обертаючого момента електродвигуна

    Обертаючий момент електродвигуна – це сила обертання його валу. Саме момент обертання визначає потужність Вашого двигуна. Вимірюється в ньютонах на метр Н*м або кілограм-силах на метр кгс*м.

    Види обертаючих моментів:

    • Номінальний – значення моменту при стандартному режимі роботи та стандартному номінальному навантаженні на двигун.
    • Пусковий – це табличне значення. Сила обертання, що може розвивати електродвигун під час пуску. При підборі електродвигуна переконайтеся, що цей параметр вищий, ніж статичний момент Вашого обладнання – насоса або вентилятора і т.д. В іншому випадку електродвигун не зможе запуститися, що може призвести до перегріву і перегорання обмотки.
    • Максимальний – граничне значення, після досягнення якого навантаження врівноважить двигун і зупинить його.

    Таблиця моментів обертання електродвигунів

    У даній таблиці зібрані обертаючі моменти найбільш поширених в Україні електродвигунів АІР , а також необхідний при пуску – пусковий, максимально допустимий для даного типу електродвигуна – максимальний момент інерції двигунів АІР, що крутять, (зусилля важливе при підборі електромагнітного гальма , наприклад)

    Потужності асинхронних електродвигунів:

    Двигун	кВт/про	Мном, Нм	Мпуск, Нм	Ммакс, Нм	Мін, Нм
    АІР56А2	0,18/2730	0,630	1,385	1,385	1,133
    АІР56В2	0,25/2700	0,884	1,945	1,945	1,592
    АІР56А4	0,12/1350	0,849	1,868	1,868	1,528
    АІР56В4	0,18/1350	1,273	2,801	2,801	2,292
    АІР63А2	0,37/2730	1,294	2,848	2,848	2,330
    АІР63В2	0,55/2730	1,924	4,233	4,233	3,463
    АІР63А4	0,25/1320	1,809	3,979	3,979	3,256
    АІР63В4	0,37/1320	2,677	5,889	5,889	4,818
    АІР63А6	0,18/860	1,999	4,397	4,397	3,198
    АІР63В6	0,25/860	2,776	6,108	6,108	4,442
    АІР71А2	0,75/2820	2,540	6,604	6,858	4,064
    АІР71В2	1,1/2800	3,752	8,254	9,004	6,003
    АІР71А4	0,55/1360	3,862	8,883	9,269	6,952
    АІР71В4	0,75/1350	5,306	13,264	13,794	12,733
    АІР71А6	0,37/900	3,926	8,245	8,637	6,282
    АІР71В6	0,55/920	5,709	10,848	12,560	9,135
    АІР71В8	0,25/680	3,511	5,618	6,671	4,915
    АІР80А2	1,5/2880	4,974	10,943	12,932	8,953
    АІР80В2	2,2/2860	7,346	15,427	19,100	13,223
    АІР80А4	1,1/1420	7,398	16,275	17,755	12,576
    АІР80В4	1,5/1410	10,160	22,351	24,383	17,271
    АІР80А6	0,75/920	7,785	16,349	17,128	12,457
    АІР80В6	1,1/920	11,418	25,121	26,263	20,553
    АІР80А8	0,37/680	5,196	10,393	11,952	7,275
    АІР80В8	0,55/680	7,724	15,449	16,221	10,814
    АІР90L2	3/2860	10,017	23,040	26,045	17,030
    АІР90L4	2,2/1430	14,692	29,385	35,262	29,385
    АІР90L6	1,5/940	15,239	30,479	35,051	28,955
    АІР90LА8	0,75/700	10,232	15,348	20,464	15,348
    АІР90LВ8	1,1/710	14,796	22,194	32,551	22,194
    АІР100S2	4/2850	13,404	26,807	32,168	21,446
    АІР100L2	5,5/2850	18,430	38,703	44,232	29,488
    АІР100S4	3/1410	20,319	40,638	44,702	32,511
    АІР100L4	4/1410	27,092	56,894	65,021	43,348
    АІР100L6	2,2/940	22,351	42,467	49,172	35,762
    АІР100L8	1,5/710	20,176	32,282	40,352	30,264
    АІР112М2	7,5/2900	24,698	49,397	54,336	39,517
    АІР112М4	5,5/1430	36,731	73,462	91,827	58,769
    АІР112МА6	3/950	30,158	60,316	66,347	48,253
    АІР112МВ6	4/950	40,211	80,421	88,463	64,337
    АІР112МА8	2,2/700	30,014	54,026	66,031	42,020
    АІР112МВ8	3/700	40,929	73,671	90,043	57,300
    АІР132М2	11/2910	36,100	57,759	79,419	43,320
    АІР132S4	7,5/1440	49,740	99,479	124,349	79,583
    АІР132М4	11/1450	72,448	173,876	210,100	159,386
    АІР132S6	5,5/960	54,714	109,427	120,370	87,542
    АІР132М6	7,5/950	75,395	150,789	165,868	120,632
    АІР132S8	4/700	54,571	98,229	120,057	76,400
    АІР132М8	5,5/700	75,036	135,064	165,079	105,050
    АІР160S2	15/2940	48,724	97,449	155,918	2,046
    АІР160М2	18,5/2940	60,094	120,187	192,299	2,884
    АІР180S2	22/2940	71,463	150,071	250,119	4,288
    АІР180М2	30/2940	97,449	214,388	341,071	6,821
    АІР200М2	37/2950	119,780	275,493	383,295	16,769
    АІР200L2	45/2940	146,173	380,051	584,694	19,003
    АІР225М2	55/2955	177,750	408,824	710,998	35,550
    АІР250S2	75/2965	241,568	628,078	966,273	84,549
    АІР250М2	90/2960	290,372	784,003	1161,486	116,149
    АІР280S2	110/2960	354,899	887,247	1171,166	212,939
    АІР280М2	132/2964	425,304	1233,381	1488,563	297,713
    АІР315S2	160/2977	513,268	1231,844	1693,786	590,259
    АІР315М2	200/2978	641,370	1603,425	2116,521	962,055
    АІР355SMA2	250/2980	801,174	1281,879	2403,523	2163,171
    АІР160S4	15/1460	98,116	186,421	284,538	7,457
    АІР160М4	18,5/1460	121,010	229,920	350,930	11,375
    АІР180S4	22/1460	143,904	302,199	402,932	15,110
    АІР180М2	30/1460	196,233	470,959	588,699	27,276
    АІР200М4	37/1460	242,021	532,445	847,072	46,952
    АІР200L4	45/1460	294,349	647,568	941,918	66,229
    АІР225М4	55/1475	356,102	997,085	1317,576	145,289
    АІР250S4	75/1470	487,245	1218,112	1559,184	301,605
    АІР250М4	90/1470	584,694	1461,735	1871,020	467,755
    АІР280S4	110/1470	714,626	2072,415	2429,728	578,847
    АІР280М4	132/1485	848,889	1697,778	2886,222	1612,889
    АІР315S4	160/1487	1027,572	2568,931	3802,017	2363,416
    АІР315М4	200/1484	1287,062	3217,655	4247,305	3603,774
    АІР355SMA4	250/1488	1604,503	3690,356	4492,608	8985,215
    АІР355SMВ4	315/1488	2021,673	5054,183	5862,853	12534,375
    АІР355SMС4	355/1488	2278,394	5012,466	6151,663	15493,078
    АІР160S6	11/970	108,299	205,768	314,067	12,021
    АІР160М6	15/970	147,680	339,665	443,041	20,675
    АІР180М6	18,5/970	182,139	400,706	546,418	29,324
    АІР200М6	22/975	215,487	517,169	711,108	50,209
    АІР200L6	30/975	293,846	617,077	881,538	102,846
    АІР225М6	37/980	360,561	721,122	1081,684	186,050
    АІР250S6	45/986	435,852	784,533	1307,556	440,210
    АІР250М6	55/986	532,708	1012,145	1811,207	633,922
    АІР280S6	75/985	727,157	1454,315	2326,904	1090,736
    АІР280М6	90/985	872,589	1745,178	2792,284	1657,919
    АІР315S6	110/987	1064,336	1809,372	2873,708	4044,478
    АІР315М6	132/989	1274,621	2166,855	3696,400	5735,794
    АІР355МА6	160/993	1538,771	2923,666	3539,174	11848,540
    АІР355МВ6	200/993	1923,464	3654,582	4423,968	17118,832
    АІР355MLA6	250/993	2404,330	4568,228	5529,960	25485,901
    AІР355MLB6	315/992	3032,510	6065,020	7278,024	40029,133
    АІР160S8	7,5/730	98,116	156,986	235,479	13,246
    АІР160М8	11/730	1007,329	1712,459	2417,589	181,319
    АІР180М8	15/730	196,233	333,596	529,829	41,994
    АІР200М8	18,5/728	242,685	509,639	606,714	67,952
    АІР200L8	22/725	289,793	579,586	724,483	88,966
    АІР225М8	30/735	389,796	701,633	1052,449	214,388
    АІР250S8	37/738	478,794	861,829	1196,985	481,188
    АІР250М8	45/735	584,694	1052,449	1520,204	695,786
    АІР280S8	55/735	714,626	1357,789	2143,878	1071,939
    АІР280М8	75/735	974,490	1754,082	2728,571	1851,531
    АІР315S8	90/740	1161,486	1509,932	2671,419	4413,649
    АІР315М8	110/742	1415,768	2265,229	3964,151	6370,957
    АІР355SMA8	132/743	1696,635	2714,616	3902,261	12215,774
    AІР355SMB8	160/743	2056,528	3496,097	4935,666	18097,443
    AІР355MLA8	200/743	2570,659	4627,187	6940,781	26991,925
    AІР355MLB8	250/743	4498,654	7647,712	10796,770	58032,638

    Розрахунок обертаючого моменту – формула

    Габарити електродвигунів АІР:

    Примітка: при розрахунку варто врахувати коефіцієнт прослизання асинхронного двигуна . Номінальна кількість обертів двигуна не збігається із реальним. Точну кількість оборотів ви зможете знайти, знаючи маркування, у таблиці вище.

    Де, Р – потужність електродвигуна в кіловатах (кВт). N – кількість обертів валу за хвилину.