Асинхронные двигатели — электрические двигатели переменного тока, частота вращения ротора которого не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Иногда асинхронные моторы называют индукционными, так как в роторе в соответствие с законом Ленца у них индуцируется электромагнитная сила. В двигателе ротор вращается не синхронно с вращающимся полем статора. Общее устройство асинхронного двигателя на примере электромобиля Audi e-tron показано на рис. 4.16.
электромобиля Aud i e-tron:
1 – штуцеры магистралей ОЖ; 2 – трёхфазное подключение с герметичным разъёмом; 3 – ротор; 4 – серебряная втулка для кольца заземления; 5 – датчик положения ротора (резольвер); 6 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 7 – сервисная резьбовая пробка; 8 – крышка резольвера; 9 – датчик температуры электродвигателя; 10 – статор с двумя парами полюсов; 11 – рубашка охлаждения статора
Тяговые электродвигатели Audi e-tron представляют собой асинхронные электродвигатели. К основным компонентам каждого электродвигателя относятся статор с тремя медными обмотками, расположенными через 120° (U, V, W), и ротор, алюминиевая короткозамкнутая клетка. Ротор передаёт вращение в коробку передач. Для того чтобы обеспечить высокую плотность мощности, воздушный зазор между неподвижным статором и вращающимся ротором сделан очень небольшим. Электродвигатель и коробка передач объединены в привод оси. Привод оси существует в двух различных исполнениях. Исполнение определяется расположением двигателей относительно осей. Колёса передней оси приводит электродвигатель, установленный параллельно оси. В задней оси применяется коаксиально установленный электродвигатель. Каждый электропривод переменного тока соединён с кузовом отдельным проводом выравнивания потенциалов.
Принципиальное устройство асинхронного электродвигателя показано на рис. 4.17.
1 – ротор; 2 – статор; 3 – корпус; 4 – паз; 5 – обмотка; 6 – вал; 7 – стержень; 8 – кольцо
Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: короткозамкнутого ротора 1 и статора 2, которые установлены в корпусе 3. Основой статора является сердечник, который набирается из листов специальной электрической стали. Листы изолированы между собой и имеют пазы 4 с внутренней стороны. В пазы сердечника устанавливается изоляция и укладывается обмотка 5 из медного изолированного специальным лаком провода.
Аналогично устроен и ротор, сердечник которого представляет собой «беличье колесо», закрепленное на валу и состоящее из набора металлических медных стержней 2, впаянных или залитых в сердечник 1 замкнутых между собой кольцами 3 (рис. 4.18). Для уменьшения высших гармоник ЭДС и пульсации магнитного поля, стержни укладывают не вдоль вала, а под определенным углом относительно оси вращения.
1– сердечник; 2 – набор металлических стержней; 3 – кольцо
В роторе асинхронного двигателя при запуске отсутствует электрический ток. Однако после начала вращения магнитного силового поля статора оно воздействует на металлические стержни (обмотки) «беличьего колеса», возбуждая в нем ЭДС. После этого уже в самом роторе появляется магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем статора и электродвигатель начинает работать в штатном режиме. Так как обмотка ротора всегда замкнута, то по ней под действием этой ЭДС будут протекать токи. Магнитное поле, взаимодействующее с этими токами ротора, создает на его валу вращающий электромагнитный момент, который всегда направлен в сторону вращения магнитного поля. Под действием этого момента ротор начинает вращаться со скоростью n2 . Схема работы асинхронного двигателя показана на рис. 4.19.
следствие потерь времени на возникновение рабочего магнитного поля статора, его магнитное поле отстает от магнитного поля статора, поэтому такой двигатель и называют асинхронным, а разницу называют скольжением. Скольжение определяет разницу в скорости вращения между магнитными полями ротора и статора (рис. 4.20).
в – максимальное скольжение
Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС в обмотке ротора будет индуцироваться только в том случае, если плоскость витков обмотки не совпадает с направлением магнитного поля, то есть ротор вращается либо медленнее, либо быстрее поля. Согласно принципу действия асинхронной машины скорость вращения магнитного поля и скорость вращения ротора всегда должны быть разными: n2 ¹ n1 . Если бы частота вращения ротора совпадала с частотой вращения магнитного поля статора, то в стержнях ротора не создавалась бы электродвижущая сила, а, следовательно, и ток. Из принципа действия следует, что у асинхронного двигателя n2 < n1 (ротор отстает от магнитного поля), а у асинхронного генератора – n2 > n1 (ротор опережает магнитное поле).
Величина индуктированной ЭДС зависит от частоты пересечения проводников вращающимся магнитным полем. То есть, чем выше разница между n1 и n2 , тем больше будет величина ЭДС. Ротор будет вращаться с частотой n2 , которая всегда будет отставать от синхронной частоты поля статора n1 . Эта разница между обеими частотами и будет частотой скольжения ∆n = n1— n2 . Данное неравенство является необходимым условием появления электромагнитного вращающегося момента в асинхронном двигателе. Поэтому электродвигатель так и называется, поскольку вращение ротора происходит несинхронно с полем статора. Понятие скольжения представляет собой отношение частоты вращения к частоте поля. Данная величина S берется в процентном отношении от частоты вращения магнитного поля. В соответствии с этим, частота вращения ротора, определяемая с помощью скольжения, составит:
n2 = n1 ⁕ (1 – S).
Проскальзывание у ненагруженного двигателя, вращающегося на холостых оборотах близко к 0, и повышается с приложением нагрузки, а в случае остановки двигателя, принимает значение 1.
При движении электромобиля инвертор тягового электродвигателя преобразует постоянный ток модуля АКБ в трёхфазный переменный ток. Преобразование осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (рис. 4.21). Изменением частоты ШИМ-сигнала регулируется число оборотов, а изменением продолжительности импульса в пределах каждого периода — крутящий момент тягового двигателя электропривода.
Ротор асинхронного двигателя вращается в том же направлении, что и его магнитное поле. В свою очередь, направление вращения поля зависит от последовательности фаз трехфазной сети. Изменить направление вращения ротора возможно за счет изменения направления течения тока.
Так как ток переменный, чтобы снизить потери из-за блуждающих токов сердечник статора набирают из тонких стальных пластин, изолированных друг от друга окалиной и скрепленных лаком. На обмотки статора подают питающее напряжение, ток протекающий в них называют током статора.
Статор имеет цилиндрическую форму, и собирается из листов стали. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, которые выполнены из обмоточного провода. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. В зависимости от подаваемого напряжения концы обмоток соединяются по схеме треугольника или звезды.
Количество обмоток зависит от числа питающих фаз и конструкции двигателя. Так у трёхфазного двигателя минимум три обмотки, соединённых по схеме звезды или треугольника. Их количество может быть больше, и оно влияет на скорость вращения вала.
Типичным 3-фазным асинхронным двигателем оснащены, например, хорошо известные автомобили Tesla S и Tesla Х, который состоит из статора и ротора (рис. 4.22). Ротор представляет собой набор одинаковых электропроводящих круглых стержней 3, расположенных под углом и накоротко замкнутых с торцов дисками 2.
Постоянный ток от аккумуляторной батареи, преобразованный в инвертере в трехфазный переменный подается на статор. Проходя по обмоткам ток создает вращающееся четырех полюсное магнитное поле 4, которое.
Вращающееся магнитное поле статора 4, пересекая стержни ротора индуцирует ток в стержнях 3 ротора. Взаимодействие вращающихся магнитных полей, созданных индуцированными токами ротора и статора заставляет ротор вращаться.
1 – контактные клеммы; 2 – диск; 3 – стержень; 4 – полюсное магнитное поле; 5 – обмотка статора; 6 – импульсы тока; N – частота вращения вала ротора; f – частота переменного тока
В асинхронном электродвигателе Tesla скорость вращения ротора зависит от частоты вращения переменного тока. Изменяя частоту переменного тока в (источнике питания) инверторе можно изменить скорость вращения ротора, а значит и ведущих колес автомобиля. Питание электродвигателя осуществляется от частотно-регулируемого привода, который контролирует частоту вращения (якоря) ротора от 0 до 18000 об/мин.
Питание электродвигателя осуществляется от АКБ выдающей напряжение порядка 288 — 440 В, ток от которой передается в инвертор 3 (рис. 4.23). Для работы управления электродвигателем применяется инвертер, который преобразует постоянный ток батареи в трехфазный переменный ток, а также увеличивает и уменьшает силу и частоту переменного тока, что позволяет управлять скоростью вращения магнитного поля статора, а значит и скоростью вращения ротора и пропорционально скоростью вращения колес электромобиля.
Изменяя частоту тока изменяют частоту вращения вала ротора, а значит и скорость движения электромобиля, изменяя амплитуду изменяют крутящий момент.
Для того чтобы изменить направление вращения ротора, например, для получения заднего хода, меняют фазы.
Инвертер также меняет фазы для изменения напряжения вращения ротора при необходимости движения задним ходом.
Электромобиль имеет систему рекуперации энергии. Во время торможения ротор вращается быстрее магнитного поля и электродвигатель начинает работать в режиме генератора (рис. 4.24). При этом магнитное поле системы рекуперации начинает противодействовать вращению вала электродвигателя автомобиля, а рекуперируемая энергия заряжает аккумуляторную батарею. Инвертор генерирует электроэнергию в катушки статора, образуя больше энергии, чем требуется для работы электромобиля. Сгенерированный переизбыток электричества после его преобразования в постоянный ток идет на зарядку АКБ. Во время зарядки на ротор действует противоэлектродвижущая сила, поэтому ведущие колеса автомобиля замедляются.
На автобусах Белорусского производства устанавливаются асинхронные электродвигатели компании ZF мощностью 200…300 кВт или асинхронный тяговый двигатель ТАД-155-04-БУ1 мощностью 150 кВт российского производства (рис. 4.25).
а – Россия ТАД-155-04-БУ1; б – компании ZF
Тяговый двигатель электробуса взаимодействует с АКБ, коммутатором, инвертером, ЭБУ (рис. 4.26).
Обособленно среди электромоторов стоит двигатель-колесо. Особенность двигателя-колеса – ориентир крутящего момента и силы напряжения на конкретное колесо. Такие решения можно встретить в плагин-гибридных автомобилях («гибридах» с параллельной схемой, при описании устройства гибридных авто ниже по тексту мы остановимся на них подробнее). Работает двигатель-колесо в паре с ДВС. У первых плагин-гибридных автомобилей с двигателем-колесом агрегат был монтирован в ступицу колеса, а работа осуществлялась исключительно в паре с внутренним зубчатым редуктором. Некоторые же современные модели моторов, монтируемые внутри колёс, вполне могут работать без зубчатого редуктора. Это увеличивает управляемость, позволяет избежать увеличения удельного веса шасси, уменьшить риски, повышает КПД. Мото́р-колесо́ — разновидность ведущего колеса, комплексный агрегат, в котором объединены непосредственно колесо, электрический двигатель, силовая передача и тормозная система.
Рассмотрим мотор-колесо на примере двигателя ActiveWheel (рис. 4.27).
Основа ActiveWheel — легкая алюминиевая рама, которая жестким рычагом соединена с подрамником кузова. Соединение сделано подвижным, чтобы колесо могло поворачиваться. К внутренней поверхности рамы крепятся все элементы ActiveWheel, а сам обод закрепляется на плоской дискообразной ступице. Тормозной механизм состоит из вращающегося диска и суппортов с электромагнитными актуаторами. Ведущий электродвигатель во время торможения работает в режиме генератора, вырабатывая электроэнергию для питания бортового аккумулятора. Подвеска состоит из стальной пружины и электрических амортизаторов. Моторчик, управляющий амортизаторами, отвечает также за поворот колеса. Благодаря большому углу поворота электромобиль значительно маневреннее обычных авто. Крутящий момент от электромотора передается на обод колеса через понижающий планетарный редуктор с одним сателлитом.
Применение мотор-колес позволяет достигнуть хорошей развесовки автомобиля, 45% массы на передней оси и 55% — на задней, что очень важно для комфортного управления автомобилем.
Преимуществами данного типа двигателей является:
- в зависимости от необходимой мощности или вида привода, данное транспортное средство может включать до четырёх активных колес, для реализации полного привода. Электронная система также позволяет контролировать передаваемый крутящий момент от двигателя к каждому отдельному колесу.
- электродвигатель привода управления подвеской подключен к системе демпфирования с регулируемым уровнем жесткости. Эта уникальная система отличается чрезвычайно быстрым временем отклика — любые колебания автоматически корректируются всего за 0,003с.
Недостатки:
К недостаткам можно отнести вес и низкая ремонтопригодность, ремонт таких агрегатов требует высокой квалификации рабочих, а также отсутствие возможности возить с собой запасное колесо.