Электрический двигатель, сокращенно электродвигатель – электрическая машина, с помощью которой электрическая энергия преобразуется в механическую, для приведения в движение различных механизмов. Электродвигатель является основным элементом электропривода. Основная задача электродвигателя — создать крутящий момент для передачи на движитель электромобиля. У электромобилей электродвигатель – единственный двигатель. У гибридных автомобилей электродвигатель работает в тандеме с двигателем внутреннего сгорания.
В некоторых режимах работы электропривода (режим рекуперации) электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.
Основными компонентами электродвигателя являются статор и ротор. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.
Принцип работы электродвигателя заключается в следующем. Согласно закону Ампера, на проводник с током I в магнитном поле будет действовать сила F (рис. 4.1, а). Если проводник с током I согнуть в рамку и поместить в магнитное поле, то две стороны рамки, находящиеся под прямым углом к магнитному полю, будут испытывать противоположно направленные силы F Силы, действующие на рамку, создают крутящий момент или момент силы, вращающий ее (рис. 4.1, б).
При сравнении электродвигателя с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), эффективность первого по отношению к последнему составляет 90%:25%. Кроме того, у электродвигателя существует ряд других преимуществ, которые также очень важны и востребованы, а именно:
— максимального крутящего момента можно добиться при любой скорости, следовательно, динамика электромобиля всегда лучше, чем у обычного автомобиля;
— конструкция достаточно проста и нет необходимости в дополнительном охлаждении;
— может работать и в режиме генератора.
Общий вид электродвигателя электромобиля показан на рис. 4.2. Учитывая сильный нагрев электродвигателей электромобилей, в них может устанавливаться жидкостное и воздушное охлаждение (вентилятор).
В электромобилях могут использоваться электродвигатели постоянного и переменного тока. В настоящее время качестве электродвигателей электромобилей используются традиционные синхронные, синхронные реактивные и асинхронные бесщеточные электродвигатели переменного трёхфазного тока.
Электродвигатели постоянного тока применялись в первых электромобилях. На первый взгляд, проще всего выбрать электродвигатель, питаемый постоянным током, который запасен в аккумуляторах. Но у этого типа двигателей есть несколько существенный минусов. Они менее долговечны и надежны, в первую очередь, из-за изнашиваемого щеточного узла, подающего питание на обмотки ротора. Другим существенным недостатком является низкая энергетическая эффективность. Эти недостатки в меньшей мере свойственны агрегатам переменного тока. Раньше их редко применяли в электротранспорте из-за дорогих инверторов, преобразующих постоянный ток в переменный. Вследствие удешевления полупроводниковых приборов, применяемых в инвертере, а значит и удешевления самого инвертера, в электромобилях в настоящее время применяют электродвигатели переменного тока.
Для привода электромобиля используют бесколлекторные (бесщёточные) электродвигатели. Бесщеточный двигатель также имеет статор и ротор, однако не имеет коллектора и щеток. Вместо них используется датчик Холла, а также контроллер.
Принципиальная схема электродвигателя трёхфазного переменного тока включает три катушки, которые в качестве статора расположены вокруг ротора, изготовленного из постоянных магнитов и соответственно электрически соединены с одной из трёх фаз (рис. 4.3).
В бесщеточном электродвигателе электрическая энергия преобразовывается в механическую благодаря переключению электронным образом управления обмотками статора электродвигателя путем изменения полярности. В таких электродвигателях подается постоянное напряжение на обмотки статора в определенные интервалы времени в определенной полярности, имитируя работу коллектора. Эту функцию выполняет электронное устройство, которое выполняет блок силовой электроники (коммутатор), который называется инвертор. Транзисторы по сигналам процессора, на основании сигналов, получаемых от датчиков Холла или вращающегося трансформатора, в зависимости от частоты вращения и положения вала ротора, переключают обмотки статора, создавая вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнитов ротора.
Как правило, в конструкции статора бесщеточного электродвигателя используются три пары обмоток, и напряжение на них подается поочередно. При подаче напряжения на первую пару обмоток якорь с постоянными магнитами поворачивается, выравнивая свое положение в соответствии с направлением силовых линий возникшего магнитного поля. В этот момент напряжение с первой пары обмоток снимается и подается на вторую пару. Поскольку якорь электродвигателя обладает определенным моментом инерции, он не останавливается моментально, а продолжает свое вращение, и его магниты начинают взаимодействовать с магнитным полем следующей обмотки. Так продолжается до тех пор, пока на обмотки статора поочередно подается напряжение.
4 – блок силовой электроники; 5 – высоковольтная батарея