Асинхронный, на магнитах, с щетками. Все, что нужно знать о моторах электромобилей

В России уже десятки тысяч электромобилей, но от общего числа машин на дорогах их доля оставляет всего 0,1%. Не удивительно, что многие до сих пор не знают, как вообще работают электродвигатели и с удивлением обнаруживают, что такие моторы бывают разных типов со своими особенностями.

Эта статья задумана для тех, кто на вкус отличает 92-й бензин от 98-го, понимает отличие дизельного двигателя от бензинового, много раз раздумывал о переводе мотора на газ и даже может рассказать о конструкции роторно-поршневого двигателя Ванкеля. Но очень смутно понимает, чем мотор в пылесосе отличается от двигателя Tesla или Zeekr. И тем более не представляет, чем задний электромотор Tesla Model 3 отличается от переднего.

Не боясь вызвать критику специалистов по электрике, мы попробуем объяснить различия в электромоторах на примере двигателей внутреннего сгорания. Да, это будет очень притянутое сравнение. Но вам так будет понятнее. Но начнем с базовой теории.

Почему оно крутится

Принцип работы любого электродвигателя основан на электромагнитном взаимодействии. В зависимости от того, как заряжены взаимодействующие элементы, они друг к другу либо притягиваются, либо друг от друга отталкиваются. Само электромагнитное поле, в котором возникает взаимодействие, может создаваться электрической энергией. И в зависимости от направления движения электрического тока оно может менять полярность.

Представьте, что вы видите впереди очень привлекательного человека и вас к нему притягивает. Вы идете по направлению к нему, но поравнявшись, понимаете, что он более не привлекает вас, а, напротив, отталкивает. И вы, сохраняя направление движения, проходите мимо и стремитесь удалиться подальше. Тем более, что впереди вы увидели кого-то более привлекательного и стремитесь теперь к нему.

Если таких встречных спутников расположить кругом, то и вы будете бесконечно ходить по кругу мимо каждого из них. Главное, что в момент пересечения привлекательность встречного человека для вас менялась с положительной на отрицательную. Если не верите, что такое возможно, то спросите у знакомого с пятью-шестью браками за спиной.

В электродвигателях происходит ровно то же самое. Электричество создает магнитные поля, в которых магниты постоянно притягиваются и отталкиваются друг от друга. Поскольку магниты расположены на двух «кругах» - внешнем и внутреннем, один такой «круг» будет вращаться относительно другого до тех пор, пока притяжение магнитов будет меняться на отторжение и обратно.

У любого электромотора есть две главные части — условно те самые два «круга». Внешняя, как правило зафиксированная неподвижно часть — это статор. Внутренняя, вращающаяся — ротор. Иногда неподвижно закрепляется именно внутренняя часть, а вращается внешняя. В современных электромобилях мы такого припомнить не можем, но например, так работают мотор-колеса электровелосипедов.

Итак, любой электромотор — это два круглых в сечении устройства, в которых с помощью электричества возникают магнитные поля, заставляющие их двигаться по кругу друг относительно друга.  Это сразу отличает электромоторы от двигателей внутреннего сгорания, где движение поршней изначально происходит вверх и вниз, и только по средством сложной механики с участием шатунов, коленвала и маховика преобразуется во вращение.

У электромоторов гораздо меньше трущихся деталей, так как ротор со статором соприкасаются только через подшипники. У них нет понятия холостого хода, так как для начала движения нужно лишь создать магнитное поле, а для этого просто подать электрический ток. Благодаря этому же, у электромоторов шире диапазон оборотов, они готовы тянуть с нуля и до десятков тысяч оборотов в минуту, а значит сцепления и коробки передач не нужно — достаточно простого редуктора.

Все эти преимущества были известны очень давно. Именно поэтому электромоторы применяются для движения поездов, трамваев, троллейбусов. И применялись бы на автомобилях, но долгое время нерешенным был простой вопрос — где взять электричество. Теперь, с появлением современных аккумуляторов, этот вопрос решен. Но что с этим электричеством делать дальше?

Почему все отказались от электромоторов постоянного тока

Про аккумуляторы мы уже рассказывали подробно. Это физико-химическеи устройства, где в ходе реакции вырабатывается электрический ток. Важной характеристикой электрического тока абсолютно любого аккумулятора является то, что он — постоянный, то есть движение электронов происходит в одном направлении, от плюсовой клеймы к минусовой.

Казалось бы, в электромобилях самым простым было бы использовать электромоторы, изначально работающие от постоянного тока. Проблема в том, что строго говоря таких не существует.

Не возмущайтесь сразу, конечно есть целое семейство двигателей, которое называется моторами постоянного тока. Но в этом названии есть небольшое лукавство.

Как уже писалось выше, любой электродвигатель работает от того, что по ходу его работы полярность участвующих магнитов постоянно меняется. Происходит это именно за счет смены направления движения тока. То есть ток становится переменным. Как этого добиться от постоянного тока? Очень просто, использовать для перемены само вращение ротора. Магнитные катушки, создающие притяжение, расположены на самом роторе. Для создания электромагнитного поляна них подается ток. При вращении ротора внешние контакты подключатся к внутренним, на самом роторе, причем за счет вращения контакты постоянно переключаются. Эти контакты называются щетками, как как речь идет о постоянно трущихся деталях, проводящих при этом электричество.

Видели когда-нибудь как в прорезях корпуса электродрели видны искры? Это искрят те самые щетки при переключении контактов за счет вращения ротера. Еще они изнашиваются и время от времени требуют замены. А при истирании производят пыль. Поскольку созданы они из электропроводящих материалов, то и их пыль, попав куда не надо, может способствовать возникновению замыканий.

Получается простая конструкция, которая действительно работает на постоянном токе, но чья эффективность, надежность и долговечность не оптимальна. Если позволите нам такое сравнение, то электродвигатели постоянного тока похожи на бензиновые моторы с карбюратором — просто, но расход большой, надо обслуживать, сложно регулировать работу мотора и в целом это уже прошлый век.

Есть и другие сложности. Мотор не так просто заставить вращаться в противоположную сторону, то есть обеспечить машине задний ход. Он шумный. И к тому же в режиме рекуперации электроэнергии при торможении он, работая как генератор, все равно вырабатывает переменный ток. И чтобы зарядить таким батарею нужен инвертор.

Электромоторы постоянного тока широко применялись в электромобилях в начале XX века. Сейчас их можно встретить разве что на двухколесном электротранспорте.

Асинхронный двигатель переменного тока

Вернемся к переменному току. Представьте, что магнитные катушки, создающие притяжение, расположены не на вращающемся роторе, а на внешнем статоре. Если подать на них переменный ток, то они будут постоянно менять свою полярность, то притягивая, то отталкивая от себя объекты с постоянным зарядом.

Подключив такие катушки на статоре к источнику переменного тока в нужной последовательности, можно создать вращающееся магнитное поле, которое будет раз за разом обегать по кругу вокруг этого самого статора.

На сам ротор электричество при этом не подается. Но за счет того, что на него воздействует вращающееся внешнее поле статора, в обмотке ротора возникает индукция и собственное электромагнитное поле. Взаимодействие двух полей приводит ротор в движение.

Такой двигатель называется асинхронным потому, что индукция в роторе возникает и поддерживается только благодаря разнице в скорости его вращения и скорости вращения магнитного поля статора. Если вращение синхронизируется, индукция пропадает, а с ней пропадает и тяга. Тяга возникает вновь, как только ротор начинает отставать и синхронность его вращения с вращением магнитного поля нарушается.

Существует дискуссия о том, кто изобрел асинхронный электродвигатель. Если спросить об этом американца, то он без запинки скажет — Никола Тесла. Да, тот самый. Свой патент Тесла получил в 1888 году. Европеец напомнит, что саму теорию в том же году в своей статье описал итальянец Гагилео Феррарис. А русский ученый будет настаивать, что на основе статьи Феррариса в 1889 году конструкцию современного трехфазного асинхронного двигателя запатентовал наш ученый Михаил Доливо-Добровольский. Но это тема для отдельной заметки.

Итак, асинхронные электродвигатели просты по конструкции, могут развивать высокие обороты и обеспечивать электромобилям высокую скорость, компактны и легко охлаждаются, так как основное тепло генерируется наружным статором. Пионером в применении таких моторов в электротранспорте стала компания Tesla. И она же сейчас от них отказывается.

Почему? У таких моторов есть проблема с эффективностью на малых скоростях. Для того, чтобы раскрутить ротор, нужно сначала создать сильное электромагнитное поле, которое первое время до возникновения индукции работает в холостую, теряя энергию. На трассе это не проблема, а вот в пробке коэффициент полезного действия оказывается не самым высоким.

Продолжая наши аналогии с двигателями внутреннего сгорания, мы бы сравнили асинхронные электромоторы с бензиновыми инжекторными высокооборотистыми моторами. Уже лучше, чем с карбюратором, но все же.

Синхронные моторы на постоянных магнитах

Главная проблема асинхронных двигателей, как было сказано выше, в том, что магнитное поле на роторе создается силой индукции и возникает не сразу. Вот бы оно было постоянным! Стоп, а почему бы и нет? В природе же есть постоянные магниты! Помещаем их на ротор, на статоре создаем вращающееся электромагнитное поле — и поехали!

Да, это самый распространенный тип двигателей в современных электромобилях. И уже достаточно давно. Такие моторы ставились на самые первые Nissan Leaf, а до них на гибриды Toyota Prius. Они же ставятся на все большее число современных электромобилей, в ним в конечном счете пришла и Tesla.

Поскольку магнитное поле ротора постоянно, то взаимодействие с ним начинается с первых миллисекунд с момента подачи тока на внешнюю обмотку статора. Тяга на низах первоклассная.  И энергоэффективность на малых скоростях близится к недостижимым для асинхронных моторов 100%. 

Увы, ничего не дается бесплатно. Во-первых, постоянные магниты создаются из редкоземельных  элементов, а это не дешево. Во-вторых, они сами по себе тяжелые. Быстрое вращение для тяжелого ротора — само по себе испытание, особенно учитывая, что магниты из него стремится «вырвать» не только центробежная сила, но и сила электромагнитного притяжения.

Ну а главное, на высоких оборотах постоянное магнитное поле ротора начинает создавать обратное сопротивление. Фактически с ростом оборотов такой мотор начинает одновременно работать как генератор, и создавая тягу, и вырабатывая электрический ток за счет силы торможения.

С негативными явлениями уже давно научились бороться, особым образом попарно располагая постоянные магниты особым образом в V-образных канавках. Это значительно снизило негативные эффекты, но не решила проблему полностью.

Возвращаясь к двигателям внутреннего сгорания, синхронные моторы на постоянных магнитах по своим свойствам напоминают дизели. Хорошая тяга на низах, высокая топливная эффективность, экономичность, но дороговизна, сложность конструкции и проблемы с работой на высоких оборотах.

Потому та же  Tesla на Model 3 пыталась найти компромисс. Спереди ставился синхронный мотор на постоянных магнитах, который был основным на малых скоростях и в городе. А сзади асинхронный, который обеспечивал основную тягу при резком ускорении и при движении по трассе.

Щетки возвращаются

А что если магнитное поле на роторе создавать не с помощью индукции, не за счет постоянных магнитов, а за счет таких же магнитных катушек, что и на статоре. Подавая на них тот или иной ток можно управлять магнитным полем ротора и добиться любого взаимодействия между полями ротора и статора.

В этом случае мотор будет отлично тянуть с низов, прекрасно раскручиваться до высоких оборотов и не создавать никакого паразитного сопротивления. То есть в каждом из режимов работать наиболее оптимально!

Мечта? Да, и в компании BMW решили воплотить ее в реальность. Именно такие моторы ставятся на все новейшие модели баварского концерна, будь то i4, i5 или i7.

Остается один малюсенький вопрос. А как подать ток на ротор, который вращается на бешеных оборотах? Вы будете смеяться, но с помощью старых добрых щеток. Конечно, их конструкцию усовершенствовали. Теперь они располагаются в отдельном корпусе на одном валу с ротором, но не в самом моторе. Так что как минимум пыль от щеток в двигатель не попадает и ничего не замкнет. Но обслуживать это устройство и время от времени менять щетки все же нужно.

С чем сравнить такой двигатель? Кажется, это дизель с непосредственным впрыском топлива и двумя турбинами с переменной геометрией крыльчатки. Может быть и с системой отключения цилиндров и точно с изменением фаз газораспределения. Звучит как-то не очень надежно, не находите?

Но главный вывод из этой статьи в том, что несмотря на тот факт, что электродвигатель изобрели примерно 200 лет назад, появление современных электромобилей показало: конструкцию еще можно и нужно совершенствовать. Единого мнения о том, какой тип электродвигателя лучше у инженеров нет. Мы находимся только на пороге большого технического поиска. Следите за событиями вместе с нами, будет интересно.