Синхронный электродвигатель электромобиля (рис. 4.4) – это электрический двигатель, работающий от переменного тока. Главная особенность такого двигателя заключается в том, в его роторе применяется постоянный магнит, или электромагнит (обмотка с подачей питания) который постоянно взаимодействует с вращающим магнитным полем ротора, которое создает вращение ротора равной частоте вращения магнитного поля.
1 – корпус; 2 – магнитное поле статора; 3 – катушки обмотка статора; 4 – металлический стержень; 5 – магнитное поле ротора; 6 – обмотка и сердечник ротора; 7 – вал ротора; 8 – подача постоянного напряжения на ротор; 9 – кольцо ротора; 10 – корпус обмотки статора
На обмотки катушек статора 3 передается трехфазное напряжение переменного тока. Это создает вращающееся магнитное поле 2, которое вращается с синхронной скоростью. Обмотка 6 ротора возбуждается источником питания постоянного тока по проводам 8, поэтому он действует как постоянный магнит.
В соответствии с принципом притяжения противоположных полюсов и отталкивания подобных полюсов, независимо от начального относительного положения вращающихся магнитных полюсов статора и постоянных магнитных полюсов, вращающиеся магнитные полюса статора всегда будут синхронно вращать ротор, независимо от действующей на них нагрузки (рис. 4.5). До широкого внедрения частотных преобразователей использовался принцип введения в синхронизм синхронных двигателей. Поэтому ранее применяемые синхронные электродвигатели требовали разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора) — это явление называется «вход в синхронизм».
В первоначальный момент времени северный полюс ротора будет притягиваться южным полюсом статора и начнет двигаться в том же направлении (рис. 4.5, а). Однако в связи с тем, что ротор обладает определенной инертностью, эта начальная скорость будет очень низкой. К этому времени южный полюс статора будет замещен северным полюсом (рис. 4.5, б). Это создаст отталкивающую силу от воздействия одноименных полюсов. В результате этого ротор не сможет начать вращение. Для обеспечения самостоятельного запуска синхронного двигателя между краями полюса устанавливается «беличье колесо». При запуске двигателя на катушки ротора не подается напряжение (рис. 4.6). Таким образом при вращающемся магнитном поле электрический ток индуцируется в стержнях беличьей клетки и ротор начинает вращаться как в асинхронном двигателе. Более подробно принцип работы асинхронного электродвигателя описан ниже.
Когда ротор достигает своей максимальной скорости на индукторные катушки ротора подается напряжение и далее двигатель работает в синхронном режиме. Когда ротор вращается с синхронной скоростью относительное движение между «беличьей» клеткой и магнитным полем статора равно нулю. Это означает что в стержнях «беличьей» клетки ток и соответственно магнитное поле будут отсутствовать, поэтому она не влияет на синхронность работы электродвигателя. Синхронные двигатели работают с постоянной скоростью независимо от нагрузки до момента, когда нагрузка не превышает допустимую. Если внешний момент нагрузки больше вращающегося момента, создаваемого электродвигателем, он выйдет из режима синхронизма и остановится. Низкое напряжение питания и возбуждения тоже могут послужить причиной выхода из синхронизма.
Описанные выше синхронные двигатели в настоящее время имеют в современных электромобилях ограниченное применение. На смену таким синхронным электродвигателям пришли электродвигатели с постоянными магнитами.
Рассмотрим синхронные электродвигатели с постоянными магнитами легкового автомобилях JAGUAR I-PACE. У электромобиля может быть установлен один или два ходовых электродвигателя. Например, в JAGUAR I-PACE установлено два ходовых электродвигателя установленных на передней и задней оси (рис. 4.7). Это позволяет производить разгон до 100 км/ч за 4,5 с, сравнимый со спортивными автомобилями.
а – передний блок электропривода; в – передний блок электропривода; 1 – разъем жгута проводов привода стояночной; 2 – соединение сапуна блокировки; 3,4 – соединение охлаждающей жидкости; 5 – разъем трехфазного кабеля к соответствующему инвертору; 6 – разъем жгута проводов 12 В
В движение электромобиль приводят два синхронных блока электропривода (EDU) с постоянными магнитами, встроенные в переднюю и заднюю ось. Каждый блок оснащен одноступенчатой коробкой передач с планетарным редуктором и открытым дифференциалом, связанным непосредственно с электродвигателем. Каждое колесо подсоединено к коробке передач с помощью полуоси, обеспечивая возможность полного привода. Блоки электропривода обеспечивает мощность 147 кВт и крутящий момент 348 Нм от каждого электродвигателя. Каждый электродвигатель подсоединяется к инвертору. Инвертор управляет работой электродвигателя в ответ на входные сигналы педалей акселератора (хода) и тормоза.
Синхронные электродвигатели с постоянными магнитами (рис. 4.8), используют ротор с постоянными магнитами, которые синхронизируются с электромагнитным полем, созданным на обмотках статора. Если прикладывать трехфазный переменный ток к обмоткам статора, в последовательности, которая постепенно изменяет полярность каждой обмотки, то вокруг статора создается вращающееся электромагнитное поле. Положение ротора совпадает с этим вращающимся электромагнитным полем, которое притягивает магнитное поле ротора, заставляя ротор вращаться. Когда ротор и магнитные поля вращающегося статора полностью синхронизированы, скорость вращения ротора прямо пропорциональна приложенной к нему частоте переменного тока. В этом состоянии электродвигатель вырабатывает максимальную мощность. В электродвигателях с постоянными магнитами синхронизация достигается сразу в момент запуска двигателя, так как на роторе всегда имеется магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом.
3 – ротор; 4 – обмотки статора
На рис. 4.9 показан процесс вращения простого синхронного электродвигателя с постоянным магнитом, который вращается по часовой стрелке.
Трехфазный переменный ток, подаваемый на обмотки статора, регулируется для перехода от одного набора обмоток к следующему, и ротор следует ему с той же скоростью. Величина и фаза тока, подаваемого на обмотки статора, пропорциональны выходной мощности двигателя, поэтому для обеспечения эффективности электродвигателя требуется точное управление.
А – напряжение/амплитуда; B – время; 1 – обмотки статора; 2 – ротор;
3 – трехфазное соединение
Чтобы обеспечить точное определения скорости и положения ротора относительно вращающегося электромагнитного поля предусмотрен резольвер с датчиком положения кольца резольвера 11 (рис. 4.10).
1 – сальник полуоси; 2 – пробка маслозаливной горловины EDU; 3 – рубашка охлаждающей жидкости; 4 – коробка передач и дифференциал; 5 – подшипник; 6 – статор; 7 – ротор; 8 – корпус; 9 – трехфазное соединение; 10 – сальник полуоси; 11 – кольцо датчик положения кольца резольвера; 12 – привод полуоси
Большинство датчиков положения, такие как индуктивный датчик и датчик частоты вращения Холла, могут определять только положение вращающегося компонента. Вращающийся трансформатор (другое название: резольвер, от англ, resolver) может определять положение вращающихся компонентов независимо от того, подвижны они или нет.
Принципом работы резольвера является преобразование угла поворота в электрическое напряжение. В качестве измерения применяется амплитуда напряжения, которая пропорциональна углу, или является функцией синус (косинус) угла. С помощью их принципа работы определяется актуальное положение ротора электродвигателя, с помощью этого можно определить скорость вращения вала двигателя. Во время работы резольвера между его обмотками наводятся ЭДС, амплитуда и фаза которых, зависит от положения ротора резольвера, на котором расположена одна (или несколько) из обмоток электродвигателя переменного тока. При работе резольвера, в пределах одного, полного оборота ротора, форма амплитуд ЭДС вторичных обмоток резольвера характеризует угол поворота ротора
Резольвер можно сравнить с вращающимся трансформатором с переменным воздушным зазором. Ротор резольвера 2 (рис. 4.11) не концентрический, а имеет особую форму, с разными диаметрами в перпендикулярных измерениях.
а – минимальный воздушный зазор; б – максимальный воздушный зазор; 1 – обмотка статора; 2 – ротор; 3 – входное напряжение; 4 – выходное напряжение; 5 – воздушный зазор
К каждому выводу подсоединены несколько пар обмоток статора. Пара – в одном направлении, и пара – в противоположном направлении.
Статор резольвера состоит из нескольких пар обмоток 1. В резольвере напряжение переменного тока преобразуется, переходя с одной обмотки на другую через железный ротор 2. Выходное напряжение 4 меняется в зависимости от положения ротора, определяющего воздушный зазор 5. Наибольшее выходное напряжение возникает в положении ротора, когда его вершины максимально приближены к обмоткам, поскольку в этом месте воздушный зазор наименьший (рис. 4.11, а). Наименьшее выходное напряжение возникает в положении ротора, когда его вершины максимально удалены от обмоток, поскольку в этом месте воздушный зазор наибольший (рис. 4.11, б).
Изменяющаяся величина выходного напряжения, которое посылается в ЭБУ электродвигателя, свидетельствует о положении и о частоте вращения ротора электродвигателя, что позволяет достаточно точно управлять магнитным полем статора.
Резольвер имеет продолжительный срок службы, поскольку в нем отсутствуют механические контакты. Кроме того, он достаточно точный и устойчив к вибрациям.
Выходной сигнал резольвера подается непосредственно в инвертор. Затем инвертор подает надлежащую частоту и напряжение к катушкам статора, чтобы гарантировать, что выходной крутящий момент электродвигателя соответствует запросу крутящего момента, отправленному из блока управления силовым агрегатом импульсно-кодовой модуляцией. Кроме того, инвертор использует информацию о положении, чтобы гарантировать, что ротор постоянно остается синхронизированным с вращающимся магнитным полем. Крутящий момент создается тогда, когда магнитное поле ротора отстает от вращающегося магнитного поля статора. Поскольку постоянные магниты постоянно пытаются «догнать» вращающееся магнитное поле статора, вращая вал ротора, а значит приводя в движение электромобиль. Синхронизация входного сигнала переменного тока является опережающей относительно положения ротора, чем больше это опережение входного сигнала, тем больше создаваемый крутящий момент. Однако слишком сильное опережение входного сигнала переменного тока приведет к тому, что магнитные поля будут выходить из режима синхронизации, и электродвигатель остановится.
Синхронизация входного сигнала переменного тока также может отставать от положения ротора. Действующее вращающееся магнитное поле пытается вращать ротор в противоположном направлении, создавая регулируемый тормозной момент. Именно в этом состоянии кинетическая энергия торможения преобразуется в электрическую энергию, электродвигатель становится генератором. Когда ротор перемещается вокруг статора, магнитное поле ротора проходит через обмотки статора, индуцируя трехфазный переменный ток. Частота вращения ротора и сила поля обмоток статора пропорциональны мощности генератора.
Работой каждого блока управления электропривода управляет подключенный инвертор в зависимости от запроса крутящего момента, выдаваемого блоком управления силовым агрегатом. Инвертор переключает блок управления электроприводом между режимами электродвигателя и генератора по необходимости. Когда блок управления работает в режиме электродвигателя, инвертор получает постоянный ток от высоковольтной аккумуляторной батареи и преобразует его в 3-фазный переменный ток. Высоковольтный переменный ток подается на трехфазные обмотки статора в электродвигателе. Данные датчика положения резольвера используются для управления фазой трехфазного переменного тока. Инвертор разделяет трехфазный переменный ток высокого напряжения на блок управления электроприводом в зависимости от требований к крутящему моменту. Инвертор и блоки управления обмениваются данными через сеть по шине FlexRay.
При работе в режиме рекуперативного торможения блок управления электроприводом генерирует трехфазный переменный ток для инвертора. Инвертор выпрямляет переменный ток в постоянный ток и регулирует напряжение для зарядки высоковольтной аккумуляторной батареи. Инвертор управляет электрической энергией, восстановленной во время рекуперативного торможения, и регулирует эффект торможения на передних и задних колесах. Данные для величины торможения, требуемого от каждого блока управления электродвигателей, отправляются в инвертор по шине сети FlexRay. Существует два уровня рекуперативного торможения:
- Накат: когда водитель снимает ногу с педали акселератора, инвертор переключается из режима электродвигателя на генератор и создает крутящий момент электромагнитного торможения (отрицательный). ЭБУ электродвигателями, основываясь на параметрах электродвигателя и емкости батареи, вычисляет, какой отрицательный крутящий момент может быть использован для рекуперативного торможения, и передает эти данные в блок управления ABS. Блок ABS рассчитывает величину тормозного воздействия, необходимого для передних и задних колес, которая передается в ЭБУ электродвигателей по шине сети FlexRay. Затем ЭБУ электродвигателей запрашивает требуемый отрицательный крутящий момент для каждого из электродвигателей через соответствующий инвертор для поддержания постоянного замедления.
- Педаль тормоза: если нажата педаль тормоза и требуемое тормозное усилие выше 0,2 г, ЭБУ электродвигателя, основываясь на его параметрах и емкости батареи, отправляет расчет того, какой отрицательный крутящий момент может быть использован для рекуперативного торможения, в блок управления ABS. Блок ABS рассчитывает величину тормозного воздействия, необходимого для передних и задних колес, которая передается в PCM по шине сети FlexRay. Затем ЭБУ электродвигателя запрашивает требуемый отрицательный крутящий момент для каждого из электродвигателей через соответствующий инвертор и комбинирует его с усилием гидравлического торможения от блока управления ABS для получения требуемого уровня торможения.
В случае движения накатом существует два режима рекуперативного торможения, которые водитель может выбрать в меню сенсорного экрана: высокий (до 0,2 г тормозного усилия) и низкий (до 0,07 г тормозного усилия). Это позволяет водителю управлять величиной отрицательного крутящего момента, создаваемого при отпускании педали акселератора. Режимы можно выбирать во время движения и плавно переключаться между ними. Например, когда автомобиль движется накатом вниз под уклон, водитель может выбрать высокий уровень рекуперативного торможения, который обеспечивает больший контроль над скоростью спуска автомобиля.
Синхронные реактивные электродвигатели с внутренним постоянным магнитом (СинРМ). Для электромобиля наиболее существенное значение имеет его пусковой момент, от которого зависит время трогания электромобиля. В существующих асинхронных электродвигателях, применяемых для электромобилей, пусковой момент не является эффективным. Кроме того, недостатком синхронного электродвигателя является то, что при длительных поездках на высокой скорости теряется 3-4 % мощности на выработку тока в стержнях ротора.
Чтобы устранить эти недостатки, в настоящее время фирма Tesla начала производство для своих автомобилей синхронных электродвигателей, в которых используется не только электромагнитное, но и реактивное воздействие на ротор электродвигателя. Такие двигатели получили название синхронные реактивные двигатели.
В двигателях этого типа взаимодействие магнитных полей ротора и статора заставляет ротор вращаться (рис. 4.12). Зеленые стрелки показывают, как полюса стремятся притянутся друг к другу, в то время как красные стрелки показывают, как полюса отталкиваются друг от друга. Соответственно вращающееся магнитное поле создает крутящий момент на роторе.
Если повернуть магнитное поле статора на 45° относительно ротора, ротор получает максимальный крутящий момент.
Это связано с тем, что силы притяжения и отталкивания (толкающее усилие магнитного поля статора и тянущее усилие магнитного поля ротора) проходят почти по касательной к ротору и создают крутящие моменты практически в одном направлении.
Это видно из примера толкания мяча по горизонтальной плоскости (рис. 4.12, а, в). При одинаковом направлении толкающих и тянущих сил, общая сила передвигающая мяч, будет больше суммарной силы при положении тянущей силы под углом.
а – тянущая и толкающая силы под разными углами; б – схема работы сил притяжения и отталкивания; в – тянущая и толкающая силы под одним углом; г – магнитное поле статора расположено под углом 45° относительно магнитного поля ротора; 1 – магнитное поле статора; 2 – магнитное поле ротора
Таким образом этот угол является идеальным для пускового момента электродвигателя такого типа. Поддержание такого угла и дальнейшая корректировка задача интеллектуального контроллера.
Электромобиль с электродвигателем с постоянными магнитами имеет отличные характеристики при трогании или двигаясь в гору, однако при его движении по ровной поверхности с постоянной высокой скоростью, силовые линии, создаваемые постоянными магнитами, пересекают витки обмотки статора, создавая там обратную ЭДС, которая является обратным напряжением противоположным напряжению питания статора. Чем выше частота вращения ротора, тем сильнее становится обратная электромагнитная сила, что снижает эффективность работы электродвигателя и увеличивает его нагрев. Этих недостатков лишены синхронные электрические реактивные двигатели.
Принцип работы реактивного синхронного двигателя заключается в следующем. Известно, что железо по сравнению с воздухом, хорошо удерживает магнитные силовые линии магнитного поля. В связи с этим, если в железном роторе сделать прорези, то от положения ротора сопротивление магнитным силовым линиям будет меняться, увеличиваясь или уменьшаясь, в зависимости от того, в чем они будут проходить – в железе или в воздухе (рис. 4.13).
Известно, что железо плохо сопротивляется прохождению магнитных силовых линий, а воздух наоборот, имеет высокое сопротивление для прохождения магнитных силовых линий.
В положении ротора (рис. 4.13, а) сопротивление магнитным силовым линиям будет высокое, потому что они проходят через воздух, а в положении (рис. 4.13, б) при котором ротор повернут на 45° – низким, потому что они проходят через железо. Ротор всегда имеет тенденцию переходить в положение, когда сопротивление магнитного поля будет низким вращаясь вместе с ним. Таким образом ротор может всегда находиться в положении, когда магнитное поле имеет низкое сопротивление, при этом скорость вращения ротора будет совпадать со скоростью вращения магнитного поля статора. Крутящий момент при этом режиме работы электродвигателя называют реактивным моментом, а электродвигатели в которых используется данный принцип работы называют синхронными реактивными электродвигателями, приспособленными для высоких скоростей движения электромобиля, так как у них нет проблем с обратной реактивной силой.
Для того чтобы объединить положительные особенности работы синхронных электродвигателей, использующих возможность получения максимального крутящего момента, так и синхронных реактивных электродвигателей, использующих возможность получения низкого сопротивления магнитного поля и в связи с этим уменьшения обратной электромагнитной силы при движении электромобиля с высокими скоростями движения, конструкторы Teslа создали новый электродвигатель. Такой электродвигатель устанавливается на модели электромобилей Teslа М3 (рис. 4.14).
В таком электродвигателе постоянные магниты 2 помещаются в прорези 1 ротора. Такое размещение дополнительно снижает влияние магнитов на обмотку статора и таким образом снижает обратное электромагнитное поле. Относительная проницаемость магнитов почти такая же, как и у воздуха, поэтому они будут препятствовать прохождению электромагнитного поля через него, так же как препятствует воздух, тем самым создавая реактивный момент.
Изменение крутящего момента в комбинированном электродвигателе можно рассмотреть по графику, представленному на рис. 4.15.
В первоначальный момент, (точка 1, кривая, а), ротор не вращается и крутящий момент равен нулю. Если магнитное поле статора поворачивается на угол 45° (точка 2, кривая, а) крутящий момент действует на постоянные магниты по часовой стрелке, благодаря влиянию магнитного поля статора. Под этим углом достигается максимальный крутящий момент от постоянных магнитов. Поворот магнитного поля еще на 45° (точка 3, кривая, а), приводит к тому, что крутящий момент, который производит ротор стремиться к нулю.
Железная часть ротора оказывает противоположное влияние на изменение крутящего момента (кривая б). При начальном угле крутящий момент равен нулю, потому что это неуравновешенное и симметричное поведение магнитного поля статора. Смещая магнитное поле статора по часовой стрелке, ротор будет испытывать максимальный и отрицательный крутящий момент (точка 4, кривая б). При повороте магнитного поля статора на угол 45° крутящий момент снова становится нулевым (точка 5, кривая б), поскольку это снова симметричный случай. При дальнейшем вращении магнитного поля статора, создаваемый реактивный крутящий момент ротора становится положительным (точка 6, кривая б).
Из кривой в графика суммарного крутящего момента видно, что при угле магнитного поля статора около 50° получается максимальный крутящий момент электродвигателя, поэтому при трогании электромобиля с места угол магнитного поля статора относительно магнитного поля ротора составляет около 45…50°. По мере увеличения скорости движения электромобиля индуцируется обратное магнитное полена катушках статора. Чтобы устранить эту проблему в электродвигателе Teslа М3 при высоких скоростях движения электромобиля магнитное поле статора уравнивается. При этом магнитное поле постоянного магнита (статора) ослабевает до минимума, практически не создавая реактивного момента и возникновение крутящего момента будет происходить за счет эффекта сопротивления.
Рассмотренные выше синхронные электродвигатели с внутренним постоянным магнитом (СинРМ) имеют эффективность до 96%, в то же время как асинхронные двигатели – до 94%. В асинхронных двигателях необходима система охлаждения ротора, электродвигателях СинРМ ротор не греется и необходимости в системе охлаждения нет.
Аналогичные виды электродвигателей применяются на гибридном автомобиле Toyota Prius. Разница заключается в магнитах. В Toyota Prius используются цельные магниты, в Teslа М3 составные. Состоящие из четырех частей, что позволяет снизить вихревые токи, а значит и их нагревание, что предохраняет также такие магниты от размагничивания.
Преимуществом синхронных двигателей, если сравнивать их с асинхронными аналогами, является то, что возбуждение постоянным током от независимого источника позволяет работать им при высоком значении коэффициента. Кроме того, следует отметить и другие преимущества:
- благодаря тому, что синхронный двигатель работает с высоким коэффициентом мощности обеспечивается снижение потребляемого тока и уменьшение потерь. По сравнению с асинхронным двигателем, имеющим ту же мощность, коэффициент полезного действия (КПД) синхронного двигателя будет выше;
- у синхронного двигателя вращающий момент пропорционален действующему напряжению сети. Поэтому синхронный двигатель даже при снижении напряжения в сети сохраняет нагрузочную способность больше, чем асинхронный. Это говорит о большей надежности такого типа двигателей;
- максимальная оптимизация рекуперации энергии торможения, а также возможность безопасной буксировки.
В то же время, если сравнивать конструктивные особенности двух типов двигателей, синхронный и асинхронных, стоит отметить, что конструкция синхронных – сложнее, а значит они будут дороже при производстве.
Синхронные электродвигатели обычно применяют если необходимая мощность должна превышать 100 кВт.