С кратным увеличением на дорогах электромобилей зеленая индустрия также стала развиваться активнее. Если вы задумались о приобретении транспортного средства данного типа, стоит для начала ознакомиться с матчастью и понять, какие электромоторы бывают и чем они отличаются.
Чтобы разобраться, чем могут отличаться электродвигатели, следует понять общий принцип, по которому они работают. Основная задача электродвигателя – преобразовать электрическую энергию в механическую. Для достижения этой цели существует множество способов, но в большинстве электродвигателей используются одни и те же два основных компонента: статор и ротор.
Статор является неподвижным магнитом, тогда как ротор – это вращающийся узел, который попеременно притягивается и отталкивается магнитным полем статора. Изменяя магнитное поле внутри двигателя (путем быстрого изменения полярности либо ротора, либо статора), ротор вращается. Именно с помощью вращения электродвигатели приводят в движение предметы, включая колеса автомобилей. Однако на поверку оказывается, что существует множество способов намагничивать предметы и заставлять ротор вращаться.
В первых электромобилях, то есть электрических экипажах, созданных до начала ХХ века, использовались простейшие двигатели, также известные как электродвигатели постоянного тока (ДПТ). Эти установки имели проволочную катушку непосредственно на роторе и магниты на статоре. Вращение ротора осуществлялось путем направления электрического тока на проволочную катушку на нем и изменения его электромагнитного поля таким образом, чтобы оно постоянно противодействовало магнитам на статоре.
В свою очередь, изменение направления тока осуществлялось с помощью «щеток», расположенных на роторе. Первоначально эти щетки представляли собой пучки проволоки, которые выглядели как щетки; в современных приложениях они изготавливаются из цельных пластин углеграфита.
Щетки вступали в контакт с устройством, называемым коллектором, расположенным на статоре. Коммутатор менял направление тока, текущего по проводам ротора, изменяя электромагнитное поле и позволяя ротору вращаться. Сегодня «щеточные» двигатели работают на постоянном токе, который изначально передается через аккумуляторный блок электромобиля.
По словам представителей компании Parvalux, производящих «щеточные» электродвигатели, преимуществами этой конструкции являются чрезвычайно высокий начальный крутящий момент, а также гораздо более низкая стоимость, чем у большинства других двигателей – всё благодаря простоте их конструкции.
Недостатком технологии, конечно, является то, что щетки физически соприкасаются с внешними краями двигателя, что создает трение и снижает эффективность. Это трение также приводит к износу щеток, которые требуют замены. Выделяемое тепло тоже ограничивает максимальную устойчивую скорость, которую может развить такой электродвигатель.
По этим причинам на протяжении целого десятилетия такие двигатели полностью исчерпали себя, пока BMW не выпустила последнюю версию трансмиссии eDrive. Она основана на более сложной конструкции, чем электродвигатели постоянного тока старой школы: во-первых, в них используется переменный ток, что позволяет им быть значительно более мощными, чем старые электродвигатели постоянного тока с щеткой, а во-вторых, это обеспечивает превосходную эффективность.
BMW уже заявила, что соотношение мощности и веса у этой электрической трансмиссии пятого поколения «улучшается примерно на 30% по сравнению с предыдущим поколением». Кроме того, при выпуске таких моторов отпадает необходимость в применении редкоземельных металлов, которые становится все труднее и дороже добывать. «Баварцы» ранее отмечали, что разработали специальный корпус для снижения образования пыли на щетках. А это, в свою очередь, влияет на долговечность трансмиссии.
Другой основной тип электродвигателей – бесщеточные агрегаты. Вместо того, чтобы использовать коммутатор для переключения направления тока, переключение магнитного поля осуществляется полностью без физических контактов. Хотя в некоторых старых гибридных автомобилях существуют бесщеточные двигатели постоянного тока, в которых переключение тока осуществляется электронным способом, а не через коммутаторы, большинство современных электромобилей используют конструкцию бесщеточного двигателя переменного тока. На рынке сегодня представлено множество конструкций электродвигателей переменного тока, но наиболее распространенными в автомобилестроении являются синхронный двигатель с постоянными магнитами (PSM) и асинхронный двигатель.
Асинхронные двигатели работают за счет вращения магнитного поля статора от сети переменного тока. В таком двигателе и статор, и ротор сделаны из проволочных обмоток. К статору подается переменный ток, который создает магнитное поле. Это магнитное поле индуцирует ток в роторе. Ток в роторе имеет свое собственное магнитное поле, которое противодействует статору, и это приводит к вращению. Сдвиг магнитного поля статора всегда должен опережать вращение ротора (отсюда и название «асинхронный»), и вращение продолжается до прекращения подачи питания.
Плюсы асинхронных двигателей заключаются в том, что эта технология отлично зарекомендовала себя еще в 1888 году благодаря Николе Тесла и была реализована вскоре после этого. Большинство промышленных двигателей переменного тока, использовавшихся с конца XIX до начала XX века, были индуктивными, и поскольку они просто подавали ток для создания своих магнитных полей, их изготовление было дешевым и простым.
Недостатками данного мотора еще в 2007 году, по словам бывшего главного инженера силовой электроники Tesla Уолли Риппела, является то, что «асинхронными машинами сложнее управлять, чем бесщеточными системами постоянного тока», а их пиковая эффективность ниже, чем у большинства конкурирующих типов двигателей. Кроме того, они, как правило, большие и тяжелые из-за громоздких проволочных обмоток, необходимых как для статора, так и для ротора. В результате асинхронные двигатели в настоящее время используются реже, наиболее широко их применяли в компании Tesla на всем пути от оригинального родстера до передней полноприводной модели Model Y.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами, с другой стороны, подают ток исключительно на статор. В этой системе магнитное поле смещается, и ротор вращается с одинаковой скоростью, из-за чего она называется «синхронной». Хотя технически построить такой мотор сложнее, чем асинхронный двигатель – он не способен к самостоятельному запуску, а невозможность полного отключения электромагнитного поля приводит к сопротивлению качению без питания. При этом такие двигатели значительно компактнее, весят меньше и обеспечивают наилучший крутящий момент.
Эти недостатки настолько сильны, что практически в каждом электромобиле последних лет использовался двигатель с постоянными магнитами, в том числе и в Tesla, которая в конце прошлого десятилетия ушла от использования исключительно асинхронных двигателей. Самая большая проблема, с которой сталкивается большинство автопроизводителей при использовании двигателей с постоянными магнитами – это непосредственно изготовление таких магнитов, поскольку для них требуется большое количество редкоземельных металлов. Их добыча обходится дорого, а текущие мировые поставки почти полностью осуществляются через Китай, что усложняет закупки для западных компаний.
В то время как BMW полностью отказалась от редкоземельных металлов, используя электродвигатели переменного тока со щеткой, другие производители стремятся свести к минимуму использование этих металлов без снижения выходной мощности. В результате следующим важным достижением в области электродвигателей, вероятно, станет переход от радиального потока, который сегодня использует каждый описанный выше тип двигателя, к осевому потоку.
Магнитный поток – это, если упростить, само магнитное поле. Радиальный поток – это движение этого поля, которое действует в радиальном направлении (полезно, например, для вращения ротора внутри корпуса статора); вместо этого двигатели с осевым потоком размещают проводники в радиальном направлении, и поле перемещается вдоль оси ротора. Ротор в этой системе больше не находится внутри статора. Они работают как два диска, параллельных друг другу. Аксиальные электродвигатели существовали в концепции на протяжении двух столетий, но сила магнита, необходимая для их функционирования в промышленных масштабах, была невозможна до недавнего времени.
Однако с развитием электромобилей магнитная технология значительно улучшилась, и теперь возможны аксиальные двигатели, хотя в массовом производстве их еще долго не будет. Приводной блок «Quark» от Koenigsegg Gemera представляет собой гибридный радиально-осевой электродвигатель, который обеспечивает лучшую удельную мощность среди всех электродвигателей, представленных сегодня на рынке. Производитель электродвигателей YASA (в настоящее время принадлежащий Mercedes-Benz) утверждает, что их двигатели обеспечивают «в четыре раза больший крутящий момент и вдвое большую удельную мощность» по сравнению с радиальными двигателями, при этом весят вдвое меньше и имеют на 20% меньшие размеры.
Эти двигатели YASA были достаточно эффективны, чтобы привести Риса Миллена к первой безоговорочной победе на Пайкс-Пик во время гонки полностью электрических автомобилей в 2015 году. Хотя для осевых двигателей по-прежнему требуются сильные постоянные магниты, они намного эффективнее радиальных двигателей, поскольку для их производства требуется значительно меньше редкоземельных металлов. Это означает, что по мере снижения затрат все больше и больше производителей, вероятно, начнут присматриваться к ним в качестве трансмиссий для электромобилей потребительского класса.
