Сравнение двс и электрического двигателя. Принцип работы и преимущества инверторного мотора Достоинства и недостатки асинхронных двигателей

Состоит из вращающихся нагнетательных элементов, помещенных на статически закрепленную станину. Подобные устройства широко востребованы в технических областях, где требуется повышение диапазона регулировки скоростей, поддержание стабильного вращения привода.

Конструкция

Конструктивно электродвигатель постоянного тока состоит из ротора (якоря), индуктора, коллектора и щеток. Давайте рассмотрим, что представляет собой каждый элемент системы:

Ротор состоит из множества катушек, что покрыты проводящей ток обмоткой. Некоторые электродвигатели постоянного тока 12 вольт содержат до 10 и более катушек.
Индуктор - неподвижная часть агрегата. Состоит из магнитных полюсов и станины.
Коллектор - функциональный элемент двигателя в виде цилиндра, размещенного на валу. Содержит изоляцию в виде медных пластин, а также выступы, которые находятся в скользящем контакте с щетками двигателя.
Щетки - неподвижно закрепленные контакты. Предназначены для подводки электрического тока к ротору. Чаще всего электродвигатель постоянного тока оснащается графитовыми и медно-графитовыми щетками. Вращение вала приводит к замыканию и размыканию контактов между щетками и ротором, что вызывает искрение.

Работа электродвигателя постоянного тока

Механизмы данной категории содержат специальную обмотку возбуждения на индукторной части, куда поступает постоянный ток, что в последующем преобразуется в магнитное поле.

Обмотка ротора поддается воздействию потока электроэнергии. Со стороны магнитного поля на данный конструктивный элемент оказывает влияние сила Ампера. В результате образуется крутящий момент, что проворачивает роторную часть на 90 о. Продолжается вращение рабочих валов двигателя за счет образования эффекта коммутации на щеточно-коллекторном узле.

При поступлении электрического тока на ротор, который находится под воздействием магнитного поля индуктора, электродвигатели постоянного тока (12 вольт) создают момент силы, что приводит к выработке энергии в процессе вращения валов. Механическая энергия передается от ротора к прочим элементам системы посредством ременной передачи.

Типы

В настоящее время выделяют несколько категорий электродвигателей постоянного тока:

С независимым возбуждением - питание обмотки происходит от независимого источника энергии.
С последовательным возбуждением - обмотка якоря включена последовательно с обмоткой возбуждения.
С параллельным возбуждением - обмотка ротора включена в электрическую цепь параллельно источнику питания.
Со смешанным возбуждением - двигатель содержит несколько обмоток: последовательную и параллельную.

Управление электродвигателем постоянного тока

Пуск двигателя осуществляется за счет работы специальных реостатов, которые создают активное сопротивление, включаемое в цепь ротора. Для обеспечения плавного запуска механизма реостат обладает ступенчатой структурой.

Для старта реостата задействуется все его сопротивление. По мере роста скорости вращения возникает противодействие, что накладывает ограничение на рост силы пусковых токов. Постепенно ступень за ступенью увеличивается подводимое к ротору напряжение.

Электродвигатель постоянного тока позволяет регулировать скорость вращения рабочих валов, что осуществляется следующим образом:

Показатель скорости ниже номинальной корректируется изменением напряжения на роторе агрегата. При этом крутящий момент остается стабильным.
Темп работы выше номинального регулируется током, который возникает на обмотке возбуждения. Значение крутящего момента снижается при поддержании постоянной мощности.
Управление роторным элементом осуществляется при помощи специализированных тиристорных преобразователей, которые представляют собой приводы постоянного тока.

Преимущества и недостатки

Сравнивая электродвигатели постоянного тока с агрегатами, функционирующими на переменном токе, стоит отметить их повышенную производительность и увеличенный коэффициент полезного действия.

Оборудование данной категории отлично справляется с отрицательным воздействием факторов окружающей среды. Способствует этому наличие полностью закрытого корпуса. Конструкция электродвигателей постоянного тока предусматривает наличие уплотнений, что исключают проникновение влаги в систему.

Защита в виде надежных изоляционных материалов дает возможность задействовать максимальный ресурс агрегатов. Допускается применение подобного оборудования при температурных условиях в пределах от -50 до +50 о С и относительной влажности воздуха порядка 98 %. Запуск механизма возможен после периода длительного простоя.

Среди недостатков электрических двигателей постоянного тока на первое место выходит достаточно быстрый износ щеточных узлов, что требует соответствующих расходов на обслуживание. Сюда же относится крайне ограниченный срок службы коллектора.

Начавшаяся в XX веке электрификация привела к появлению огромного количества полезных изобретений. Одним из них стал электродвигатель.

Мотор лишился механически трущихся и искрящих узлов, превзойдя многие популярные на то время разновидности приводов. На сегодняшний день существуют различные типы электродвигателей, что позволяет внедрить оптимальный вариант в ту или иную машину. Какие именно агрегаты считаются востребованными, в чём состоят их ключевые особенности?

Сразу стоит заметить, что двигатели грубо разделяют на два типа: постоянного и переменного тока. Поэтому мы будем рассматривать характерные особенности каждого из них.

Устройства постоянного тока

Такие агрегаты позволяют создавать регулируемые электроприводы с отличными эксплуатационными свойствами. Существует две категории двигателей, питающихся постоянным током: коллекторные и вентильные.

Первые характеризуются присутствием щёточно-коллекторного узла, который способствует электросоединению неподвижной и вращающей части агрегата. Бесколлекторные (вентильные) - это электродвигатели с замкнутой системой. Они работают так, как и синхронные. Такие агрегаты могут иметь любые габариты. Самыми маленькими оснащают ПК, игрушки и прочие приборы.

Электродвигатели постоянного тока применяются в различных сферах ввиду огромного количества положительных сторон:

простота управления и регулировки частоты вращения;
хорошие пусковые свойства;
компактность;
возможность использования в разных режимах.

Однако коллекторные приборы нуждаются в трудоёмком профилактическом сервисе. Да и стоимость производства агрегатов довольно высокая, что отражается на их цене.

Устройства переменного тока

Эти агрегаты делят на синхронные и асинхронные. Ключевое отличие в том, что в первых электродвигателях 1 гармоника магнитодвижущей силы стартера перемещается аналогично скорости ротора. У асинхронных поле вращается быстрее. И поскольку двигатели переменного тока задействуют особенно часто, их стоит рассмотреть более детально.

Синхронные модели

Многие виды компьютерного оборудования оснащаются именно этими двигателями. Преимущества их использования очевидны:

постоянство частоты вращения;
невысокая чувствительность к перепадам напряжения;
возможность применения в качестве генератора мощности.

Разумеется, есть и некоторые минусы в виде трудностей с запуском, сложности конструкции и регулировки частоты вращения.

Асинхронные агрегаты

Здесь частота вращения ротора отличается от показателей крутящего поля. По конструктивным особенностям различают устройства с фазным и короткозамкнутым ротором. Больше отличий в конструкции практически нет. Они затрагивают разве что количество обмоток, согласно чему устройства разделяют на одно-, двух- и трёхфазные.

Сегодня асинхронные агрегаты входят в комплектацию огромного количества электрических машин. Благодаря многообразию физических и технических характеристик устройства можно выбрать оптимальное (в зависимости от условий эксплуатации).

К примеру, трёхфазный электродвигатель 1,1 кВт 3 000 об/мин подойдёт для оснащения бетономешалок, компрессоров, насосов и т. д. Однофазный агрегат применим в маломощных устройствах, в числе которых небольшие комнатные вентиляторы.

Среди преимуществ асинхронных электродвигателей стоит выделить:

простоту изготовления;
повышенную надёжность;
малые эксплуатационные расходы.

Однако подобные приборы зависят от напряжения сети, имеют небольшой пусковой момент и вызывают сложности в точной регулировке скорости. Это важно учитывать при покупке.

Незаменимое изобретение

Электрические двигатели применяются буквально везде. Без них невозможно представить работу большинства машин. Их использование помогает снизить трудозатраты человека и сделать повседневную жизнь максимально комфортной.

Если оглянуться назад и посмотреть, сколько всего изменилось за последние несколько сот лет, становится непонятным как люди раньше обходились без современных благ цивилизации. Это касается не только бытовых условий жилищного плана, но и усовершенствованных транспортных средств передвижения. Только подумайте, еще в 80-е года ХХ века, существующие сегодня автомобили, могли показаться выдумкой мира кино, но сейчас мы знаем, что некоторые из них могут питаться электричеством (), а другие уже взлетели над землей (аэромобили).

Пусть последний вариант еще не скоро придет в массовую эксплуат/ацию, но что касается машин, оборудованных электродвигателем, то их уже даже можно встретить на дорогах городов (взять ту же Toyota Prius). Так чем же таким примечателен электродвигатель, что это помогло ему завоевать всеобщее признание? Что бы разобраться в этом вопросе, мы сейчас проанализируем исторический путь развития электрического силового агрегата, рассмотрим особенности его видов, уделим внимание преимуществам и недостаткам, а также ознакомимся с возможными неисправностями и их причинами.

1. История применения электромоторов в конструкции автомобиля

Электродвигатель является электрическим преобразователем, способным трансформировать электроэнергию в ее механический вариант. Побочным эффектом такого действия выступает выделение определенного количества тепла.

Данное устройство используется в качестве силовой установки на «экологичных» машинах: электромобилях, гибридах и автомобилях, работа которых обеспечивается топливными элементами. Но если не брать в расчет «сердце» транспортного средства, то маломощные электромоторы можно найти даже в самом простом бензиновом седане (например, ими оснащается электропривод двери). Представление об электротранспорте, в общих чертах, появилось еще в 1831 году, сразу после того, как Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции. Первым двигателем, принцип работы которого основывался на данном открытии, стал агрегат, разработанный в 1834 году русским физиком-изобретателем – Борисом Якоби.

Впервые, транспортные средства оснащенные электродвигателями, использующимися в качестве силовой установки автомобиля появились в 1880-х годах и сразу же завоевали всеобщую популярность. Такое явление объясняется достаточно просто: на стыке XIX-XX веков двигатели внутреннего сгорания имели кучу недостатков, которые выставляли новинку в очень даже выгодном свете, так как ее характеристики значительно превосходили ДВС. Однако, прошло не так много времени и, благодаря увеличению мощности бензиновых и дизельных двигателей, об электромоторах забыли на долгие десятилетия. Очередная волна интереса к ним вернулась только в 70-х годах ХХ века, в эпоху Великого нефтяного кризиса, но до массового производства дело опять не дошло.

Настоящей эпохой Возрождения для электродвигателей гибридных автомобилей и электромобилей является первое десятилетие XXI века. Этому способствовало сразу несколько факторов: с одной стороны, стремительное развитие компьютерных технологий и электроники позволили осуществлять контроль и экономить заряд батареи, а с другой – постепенно возрастающие цены на нефтетопливо, заставили потребителей искать новые, альтернативные источники энергии.

В общем, всю историю развития электродвигателей можно разделить на три периода:

Первый (начальный) период , охватывает 1821-1834 года ХІХ века. Именно в это время начали появляться первые физические приборы, с помощью которых проводилась демонстрация непрерывного преобразования электроэнергии в энергию механическую. Исследования М.Фарадея в 1821 году, которые проводились с целью изучения взаимодействия проводников с током и магнитом, показали, что электрический ток может вызывать вращение проводника кругом магнита или же наоборот – магнита вокруг проводника. Результаты опытов Фарадея подтвердили реальную возможность построения электродвигателя, а многие исследователи, уже тогда, предлагали различные их конструкции.

Второй этап на пути развития электрических моторов начался с 1834 года и закончился в 1860 году. Он характеризовался изобретением конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря, но вала таких двигателей, как правило, был резко пульсирующим. 1834 год ознаменовался созданием первого в мире электрического мотора постоянного тока, создатель которого (Б.С. Якоби) реализовал в нем принцип прямого вращения подвижной части силового агрегата. В 1838 году, были проведены испытания данного двигателя, для чего его установили на лодку и отпустили в вольное плаванье по Неве. Таким образом, разработка Якоби получила первое практическое применение.

Третьим этапом в развитии электродвигателей, принято считать временной промежуток с 1860 по 1887 год, который связывают с разработкой конструкции, имеющей кольцевой неявнополюсный якорь и практически постоянно вращающийся момент. В этот период стоит отметить изобретение итальянского ученного А. Пачинотти, разработавшего конструкцию электродвигателя состоящего из кольцеобразного якоря, который вращался в магнитном поле электрических магнитов. Подвод тока осуществлялся с помощью роликов, а электромагнитная обмотка включалась последовательно с обмоткой якоря. Другими словами: возбуждения электромашины проходили последовательно. Отличительной особенностью электродвигателя Пачинотти стала замена явнополюсного якоря на неявнополюсной.

2. Виды электродвигателей

Если говорить про современные электродвигатели, то они имеют довольно широкое видовое разнообразие, а к наиболее известным из них относятся:

- двигатели переменного и постоянного тока;

Однофазные и многофазные двигатели;

Шаговый;

Вентильный и универсальный коллекторный двигатель.

Двигатели постоянного и переменного тока, а также универсальные моторы, входят в состав широко известных магнитоэлектрических силовых агрегатов. Давайте ознакомимся с каждым из видов более детально.

Двигатели постоянного тока являются электрическими двигателями, для питания которых требуется наличие источника постоянного тока. В свою очередь, исходя из наличия щеточно-коллекторного узла, данный вид подразделяется на коллекторные и бесколлекторные моторы. Также, благодаря названному узлу, обеспечивается электросоединение цепей неподвижной и вращающейся части агрегата, что делает его наиболее уязвимым и сложным в обслуживании элементом.

За типом возбуждения, все коллекторные виды снова разделяются на подвиды:

- силовые установки с независимым возбуждением (идет от постоянных магнитов и электромагнитов);

Двигатели с самовозбуждением (делятся на параллельные, последовательные и моторы смешанного возбуждения).

Бесколлекторный вид электродвигателей (их называют еще «вентильные») – это устройства, представлены в виде замкнутой системы, в которой используется датчик положения ротора, системы управления, инвертора (силовой полупроводниковый преобразователь). Принцип действия указанных двигателей такой же как и у представителей синхронной группы.

В электродвигателе переменного тока, как следует из названия, используется питание переменного тока. Исходя из принципа работы, такие устройства делятся на синхронные и асинхронные двигатели. В синхронных двигателях, ротор вращается вместе с магнитным полем поступающего напряжения, что позволяет использовать эти двигатели при больших мощностях. Выделяют два вида синхронных моторов – шаговые и вентильные реактивные электродвигатели.

Асинхронные электродвигатели, как и предыдущий вариант, являются представителями электрических двигателей переменного тока, в которых частота вращения ротора несколько отличается от аналогичной частоты вращающего магнитного поля. На сегодняшний день, именно этот вид наиболее часто встречается в эксплуатации. Также, все двигатели переменного тока разделяются на подвиды в зависимости от количества фаз. Выделяют:

- однофазные (запускаются вручную или оборудованы пусковой обмоткой, либо же имеют фазосдвигающую цепь);

Двухфазные (в т.ч. и кондинсаторные);

Трехфазные;

Многофазные.

Коллекторный двигатель универсального типа – это устройство, которое способно работать как на постоянном, так и на переменном токе. Такие моторы оборудуются только последовательной обмоткой возбуждения мощностью до 200 Вт. Статор имеет шихтованную конструкцию и изготавливается из специальной электротехнической стали. Обмотка возбуждения имеет два рабочих режима: при переменном токе она включается частично, а при постоянном – полностью. Обычно, такие устройства применяются в электроинструментах или каких-то других бытовых аппаратах.

Электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока есть синхронный двигатель, имеющий датчик положения ротора и инвертор. Проще говоря, универсальный коллекторный мотор и есть электродвигателем постоянного тока, обмотки возбуждения которого последовательно включены, идеально оптимизированные для работы на переменном токе. Независимо от полярности поступающего напряжения, данный тип силовых установок вращается в одну сторону, ведь за счет последовательного соединения обмоток ротора и статора, полюсы их магнитных полей меняются одновременно, а значит, результирующий момент продолжает оставаться направленным в одну сторону.

Что бы обеспечить работоспособность на переменном токе, используется статор, изготовленный из магнитно-мягкого материала, обладающего малым гистерезисом (сопротивление процессу перемагничивания), а для уменьшения потерь на вихревые потоки, конструкция статора выполняется из изолированных пластин. Достоинством работы электродвигателя переменного тока есть то, что при малых оборотах (пуск, перезагрузка), потребляемый ток, а соответственно, и максимальный момент двигателя ограничиваются индуктивным сопротивлением обмоток статора.

С целью сближения механических характеристик двигателей общего назначения, часто используется секционирование обмоток статора, тоесть для подключения переменного тока создаются отдельные выводы и уменьшается число витков обмотки.

Принцип работы синхронного электродвигателя возвратно-поступательного движения основывается на том, что подвижная часть мотора, представлена в виде постоянных магнитов, которые закреплены на штоке. Сквозь неподвижные обмотки, проходит переменный ток, а постоянные магниты, поддающиеся влиянию магнитного поля, возвратно-поступательным образом перемещают шток.

Еще одна классификация, позволяющая выделить очередные несколько видов электродвигателей, основывается на степени защиты окружающей среды. Исходя из этого параметра, электрические силовые установки могут быть защищенными, закрытыми и взрывозащищенными.

Защищенные варианты, закрываются специальными заслонками, предохраняющими механизм от попадания различных посторонних предметов. Они используются там, где нет повышенной влажности и особого состава воздуха (без примесей пыли, дыма, газов и химических веществ). Закрытые виды, помещаются в специальную оболочку, препятствующую попаданию газов, пыли, влаги и прочих элементов, которые могут нанести вред механизму мотора. Эти устройства могут быть герметичными и негерметичными.

Взрывозащищенные механизмы. Устанавливаются в корпус, который в случае взрыва мотора способен будет защитить от повреждений остальные части устройства, предотвратив тем самым, возникновение пожара.

Выбирая электродвигатель, обратите свое внимание на рабочую среду механизма. Если, например, воздух не содержит никаких посторонних примесей, которые могут нанести ему вред, то вместо тяжелого и дорогого закрытого двигателя лучше приобрести защищенный. Отдельным пунктом, также, стоит вспомнить и о встроенном электродвигателе, который не имеет собственной оболочки и является частью конструкции рабочего механизма.

3. Преимущества и недостатки электродвигателей

Как и любое другое устройство, электрический двигатель не есть «безгрешным» , а значит наряду с неоспоримыми преимуществами имеет и определенные недостатки. Начнем, пожалуй, с положительных моментов использования, к которым относятся:

1. Отсутствие потерь на трение при трансмиссии;

2. Коэффициент полезного действия тягового электродвигателя достигает 90-95%, в то время как аналогичный показатель двигателя внутреннего сгорания только 22-60%;

3. Максимальное значение крутящего момента ТЭД (тяговой электродвигатель) достигается уже с начала движения, в момент запуска мотора, поэтому, коробка передач здесь просто не нужна.

4. Стоимость эксплуатации и обслуживания сравнительно ниже чем у ДВС;

5. Отсутствие токсичных выхлопных газов;

6. Высокий уровень экологичности (не применяются нефтяные топлива, антифризы и моторные масла);

7. Минимальная возможность взрыва при аварии;

8. Простая конструкция и управление, высокий уровень надежности и долговечности экипажной части;

9. Наличие возможности подзарядки от обычной бытовой розетки;

10. Уменьшение шума путем меньшего количества подвижных частей и механических передач;

11. Увеличение плавности хода с широким частотным интервалом изменения вращения вала мотора;

12. Возможность подзарядки в процессе рекуперативного торможения;

13. Возможность применения в качестве тормоза самого электрического двигателя (функция электромагнитного тормоза). Механический вариант, представителей отсутствует, что помогает избежать трения, а следовательно и износа тормозов.

Учитывая вышесказанное, можно прийти к логическому заключению, что автомобиль, оборудованный электродвигателем, примерно в 3-4 раза эффективнее своих бензиновых собратьев. Однако, как мы уже говорили, недостатки все же имеются:

- время работы мотора ограничивается максимально возможным объемом аккумуляторов, тоесть по сравнению с ДВС, у них намного меньший пробег на одной заправке;

Более высокая стоимость, но есть шанс, что с началом массового серийного производства - цена уменьшиться;

Необходимость использования дополнительных аксессуаров (например, довольно тяжелых аккумуляторов весом от 15 до 30 килограмм и специальных зарядных устройств, которые предназначаются под глубокий разряд).

Как видите, основных недостатков не так уж и много, а со временем их количество будет продолжать стремительно падать, ведь автомобильные инженеры и конструктора с каждым последующим выпуском продукции будут делать «работу над ошибками».

4. Выявление и устранение неполадок в работе электродвигателя

К сожалению, при всех своих положительных сторонах, электродвигатель, как и любое другое устройство, не защищен от поломок и периодически выходит из строя. К наиболее распространенным неисправностям электромоторов относят:

При запуске двигателя он сильно гудит. Возможными причинами такого явления могут быть снижение или полное отсутствие напряжения в питающей сети; неправильное расположение начала и конца фазы обмотки статора; перегрузка двигателя или неисправность в приводном механизме. Естественно, для устранения возникших проблем нужно либо найти и устранить неисправность, либо совершить пере подсоединение, но уже по правильной схеме, либо снизить нагрузку или ликвидировать неисправность в приводном механизме.

Работающий двигатель резко останавливает свою работу. Возможные причины: прекратилась подача напряжения; возникли сбои в работе аппаратуры распредустройства и сети питания; заклинило мотор или механизм привода; сработала система защиты. Для устранения поломок следует: найти и устранить разрыв в цепи; ликвидировать неисправности в аппаратуре распределительного устройства и сети питания; отремонтировать приводной механизм; провести диагностику статора и при необходимости провести ремонтные мероприятия.

Вал вращается, однако не может достигнуть нормальной частоты вращения. Возможные причины: в процессе разгона автомобиля, одна из фаз отключилась; снизилось напряжение в сети; двигатель испытывает чрезмерную нагрузку. Устранить возникшие неисправности поможет поднятие напряжения; подключение отсоединившейся фазы и устранение перегрузки мотора.

Электродвигатель чрезмерно нагревается. Возможные причины: идет перегрузка по току; снизилось или повысилось напряжение в сети; повысилась температура окружающей среды; нарушилась нормальная вентиляция (забились вентиляционные каналы); нарушилась нормальная работа механизма привода.

Пути решения проблемы: обеспечить нормальный уровень нагрузки; установить оптимально допустимою температуру; прочистить каналы вентиляции; отремонтировать приводной механизм.

Мотор сильно гудит и не достигает нормальной частоты вращения. Возможные причины: возникло межвитковое замыкание в обмотке статора; заземление обмотки одной фазы сразу в двух местах; появление короткого замыкания между фазами; обрыв какой-то фазы. В этом случае, выход только один – придется менять статор.

Повышение вибрации работающего мотора. Возможные причины: низкая жесткость фундамента; погрешности в совместимости вала приводного механизма с валом мотора; недостаточно отбалансирована соединительная муфта или привод. Выход из сложившейся ситуации: увеличить жесткость; отбалансировать и улучшить со относимость.

Повышенное нагревание подшипников. Возможные причины: повреждение подшипника; неверная центровка мотора с приводным механизмом. Решить образовавшиеся проблемы поможет правильная установка двигателя или замена подшипника.

Снижение сопротивления изоляции обмоток. Причины появления неисправностей в этом случае, кроятся в загрязнении или отсырении обмоток, а устранить их поможет просушка деталей.

Как отмечают многие эксперты, электрический автомобиль сегодня является не просто альтернативой, а уже составляет прямую конкуренцию для привычного двигателя внутреннего сгорания.

Конечно, о массовом вытеснении речь пока не идет, однако специалисты полагают, что это всего лишь вопрос времени. Дело в том, что на фоне глобального экологического и топливного кризиса у электромобилей появились все шансы отодвинуть поршневые моторы на задний план.

Более того, если судить по количеству проектов и объемам вложенных в разработку электрокаров средств, тогда невольно напрашивается вывод о том, что и сами автопроизводители прочат электромобилям большое будущее.

В этой статье мы рассмотрим устройство и общий принцип работы ТС на электротяге, их особенности, преимущества и недостатки. Также мы попробуем разобраться, какой вариант предпочтительнее, электромобиль или гибрид, что лучше выбрать в том или ином случае и т.д.

Читайте в этой статье

Электромобили: особенности электрических авто

Начнем с того, что до недавнего времени марки Toyota и других фактически являлись одним из наиболее предпочтительных, востребованных и распространенных вариантов по всему миру. За примерами не нужно далеко ходить, так как достаточно вспомнить премиальную модель Lexus RX450h F Sport или более скромный и доступный Toyota Prius и т.д.

При этом даже сегодня сложившаяся ситуация не сильно поменялась, хотя за последнее время на рынке появилось большое количество конкурентов, которые способны предложить потребителю различные версии так называемых «зеленых» авто.

Дело в том, что при всех своих плюсах автомобили с гибридными двигателями все же представляют собой неразрывный симбиоз электромотора и ДВС. Это значит, что речь больше идет об экономии топлива, при этом «нулевых» выбросов в атмосферу и полного отказа от нефтепродуктов при использовании таких машин добиться все равно не получается.

Поршневой двигатель, который нельзя исключить из общей схемы гибрида, продолжает нуждаться в горючем, его система смазки требует моторного масла и т.д. По этой причине гибридная силовая установка может скорее считаться очередным витком эволюции ДВС, но никак не полноценным альтернативным вариантом.

С учетом вышесказанного становится понятно, что на сегодняшний день отказ от ДВС способен предложить только полностью электрический автомобиль. Кстати, идея далеко не новая, так как первые машины с электромотором появились даже раньше транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания.

Однако на начальном этапе создатели электрических авто столкнулись с массой проблем (малый запас хода, большой вес, сложность зарядки батарей и т.д.), в результате чего такой вариант не выдержал конкуренции, а моторы на бензине и солярке быстро и надолго вытеснили электрокары.

Все изменилось относительно недавно, в частности благодаря развитию современных технологий и созданию необходимых устройств для накопления и хранения электроэнергии. Простыми словами, речь идет об энергоемких батареях для электромобилей, а также о решениях для их быстрой подзарядки.

В результате электрокар совсем недавно стал общедоступным серийным продуктом. Такие автомобили в наши дни производятся японскими, европейскими, американскими, а также китайскими производителями. Отдельно стоит выделить популярный электрокар Nissan Leaf, хорошо известные модели Tesla Model S и Roadster, а также Toyota RAV4EV, BMW Active C и т.д.

Схема устройства электрической машины

Начнем с того, что конструкция предполагает намного меньше подвижных деталей по сравнению с ДВС. Другими словами, электромобиль устроен проще, а простота всегда означает повышенную надежность.

Основными конструктивными элементами являются:

аккумулятор
электромотор;
упрощенная трансмиссия;
специальное зарядное устройство на борту;
инвертор и преобразователь постоянного тока;
развитая система электронного управления;

Батарея в электромобилях нужна для питания электродвигателя. Указанная тяговая аккумуляторная батарея сегодня литий-ионная и состоит из модулей (банок), которые последовательно соединяются между собой. Что касается емкости, на разных моделях доступны различные варианты. Как правило, батарея подбирается к автомобилю исходя из мощности электромотора.

Тяговый электродвигатель создает крутящий момент на колесах автомобиля и является трехфазным синхронным или асинхронным двигателем переменного тока (асинхронные), выдавая, в среднем, от 20 до 150 кВт и более. Отметим, что у электромотора намного выше двигателя внутреннего сгорания, особенно бензинового. Другими словами, потери полезной энергии в ДВС могут доходить до 70%, тогда как у электродвигателя теряется только 10%.

Как уже было сказано, электрический автомобиль приводится в движение от электромоторов, которых при этом может быть несколько. Питание электромотора обычно реализовано от аккумуляторной батареи, при этом также возможно использование солнечных батарей и т.п. Однако на практике серийные электрокары зачастую оснащаются только аккумуляторной батареей.

Такая батарея нуждается в зарядке, которая может происходить как от внешнего источника, так и во время движения электрического авто. Во втором случае речь идет о рекуперации энергии торможения.

Итак, основными преимуществами электродвигателя можно считать доступный максимум крутящего момента на любой скорости, такой двигатель может крутить колеса назад и вперед без необходимости устанавливать дополнительные решения. Также выделяют отсутствие необходимости охлаждать такой мотор, электродвигатель способен выполнять функции генератора и т.д.

Как правило, в электрокарах сегодня установлены сразу несколько электродвигателей (на каждое колесо). В результате тяга значительно улучшается сравнительно со схемой, которая предполагает оснащение одним электромотором.

Также встречаются решения, когда электродвигатель фактически установлен в колесе. С одной стороны, трансмиссия в этом случае максимально упрощается, однако увеличивается количество неподрессоренных масс и страдает общая управляемость машины.

Кстати, трансмиссия электрокаров сама по себе изначально простая и зачастую представляет одноступенчатый зубчатый редуктор. Что касается зарядного устройства, решение располагается на самом авто и дает возможность заряжать батарею, причем от обычной электророзетки. Также существует отдельный «выход» для быстрой зарядки батареи на специальных станциях.

Инвертор служит для того, чтобы реализовать преобразование постоянного тока от батареи в трехфазное напряжение переменного тока. Именно такой ток нужен для питания электромотора.

Еще отметим, что в конструкцию электромобилей включено и подобие хорошо знакомой автомобилистам на 12 Вольт. За зарядку такого дополнительного аккумулятора в этом случае отвечает преобразователь постоянного тока, а сама батарея нужна для питания различных бортовых устройств и систем (электроусилитель руля, габариты и свет фар, климатическая установка, подогрев стекол и сидений, аудиосистема с акустикой и т.д.).

Электронная система, которая играет роль в электромобиле, имеет целый набор функций. Система отвечает за активную безопасность, контролирует работу электромоторов, следит за состоянием тяговой батареи и уровнем заряда, определяет расход энергии и задействует режимы энергосбережения при езде и т.д.

Если говорить об устройстве, имеется блок управления (аналогично ) и большое количество датчиков, а также различные исполнительные устройства. Датчики фиксируют скорость автомобиля, степень нагрузки на электромоторы, а также положение педали газа тормоза и ряд других параметров.

Сигналы от датчиков поступают в контроллер, после чего блок стремится создать наилучшие условия применительно к тому или иному режиму во время движения электрокара. Также на панели приборов водитель может наблюдать информацию о скорости движения, потреблении заряда, остаточном заряде, сколько километров еще можно проехать и т.д.

Виды электромобилей и практическая эксплуатация: плюсы и минусы электрокаров

Мировые автопроизводители в этой области сегодня идут двумя путями:

создаются абсолютно новые модели электрических авто;
происходит трансформация уже имеющихся в линейке производителя автомобилей в электрокар;

Еще электромобили можно условно разделить на несколько типов. Как и в случае с ДВС, машины давно принято делить на городские малолитражки, спорткары и т.п. С электромобилями ситуация похожая.

Существуют электрические авто, которые позиционируются в качестве решений исключительно для города. Максимальная скорость у таких ТС относительно низкая (чуть более 100 км/ч), а также сравнительно небольшой запас хода (70-80 км.) в режимах средних и высоких нагрузок.
Также следует выделить «универсальный» вариант. Такие электрические авто способны разгоняться до 140-160 км/ч, автономность также увеличена. Это позволяет совершать поездки по трассе.
Что касается спортивных версий, такие электромобили имеют «максималку» около 200 км/ч и выше. Разгонная динамика также весьма впечатляет. Например, сегодня электрокары фирмы Тесла способны набрать «сотню» меньше чем за 3 сек., а максимальная скорость самого быстрого электромобиля в мире, который был построен на базе Chevrolet Corvette американской компанией Genovation, во время испытаний в 2017 году перевалила за 300 км/ч.

Казалось бы, такие машины вплотную приблизились по ряду важнейших показателей к автомобилям с ДВС. На первый взгляд, у электромобилей появилась достаточная автономность и приемлемая динамика разгона. Также можно выделить простоту эксплуатации, низкие расходы на содержание и обслуживание, что обязательно должно склонить разумных потребителей к выбору именно электрического авто. Однако на практике все выглядит несколько иначе.

Сразу отметим, именно особенности эксплуатации и ряд других факторов до сих пор не позволяют электрокарам стать массовым решением. Прежде всего, стоимость такого транспорта продолжает оставаться достаточно высокой на фоне конкурентов с бензиновым или дизельным ДВС.

Более того, экономичность современных дизельных моторов позволяет этим агрегатам серьезно конкурировать не только с бензиновыми авто, но и с электромобилями. Еще следует отдельно выделить то, что от бытовой розетки аккумулятор электрокара заряжается долго, а станции для быстрой подзарядки встречаются не часто по причине слабого развития инфраструктуры. Особенно это актуально для стран СНГ.

Что касается автономности, те данные, которые заявлены производителем, часто не совсем соответствуют действительности. Первое, на практике, особенно в холодное время года, батарея разряжается быстрее.

Второе, если водитель практикует динамичную езду, тогда полного заряда батареи может хватать не на 70-80 км. по городу, а всего лишь на 40-50. Для подтверждения этой информации достаточно ознакомиться с реальными отзывами владельцев Nissan Leaf, так как эта бюджетная версия электромобиля по цене является одной из самых доступных и сегодня наиболее распространена.

Простыми словами, пробег электромобиля без подзарядки не постоянен, а зависит от многочисленных факторов, начиная от состояния и емкости батареи и заканчивая стилем вождения. Если к этому добавить использование кондиционера, габаритов, подогревов и других решений, тогда на одном заряде даже при идеальных дорожных условиях пробег неизбежно сократится на 20-30% и более.

Если же при этом стиль вождения активный (постоянно превышает среднюю скорость 60 км./ч), тогда вполне можно рассчитывать и на все 50%. Получается, если производитель обещает 140-160 км на одном заряде, то данный показатель предполагает езду со скоростью не более 70 км/ч, и то при условии полностью исправной батареи (без потери емкости аккумулятора).

Однако если разгонять электрокар, например, до 130 км/ч по трассе, тогда пробег без подзарядки составит всего 70 км. Как видно, если для города это еще приемлемо, то использовать электромобиль для загородных поездок весьма затруднительно.

Теперь несколько слов о батарее. Аккумулятор, который сегодня повсеместно используется, литий-ионный. Для его производства необходимы большие затраты, что сильно влияет и на общую стоимость электрических авто. При этом срок службы таких батарей ограничен средней отметкой около 5 лет.

Это значит, что хотя базовые расходы на содержание электрического автомобиля в несколько раз ниже аналогов с ДВС, более высокая начальная стоимость и необходимость замены дорогостоящей батареи (в среднем, через 5 лет) ставят экономические преимущества и целесообразность покупки такого авто под большое сомнение. Еще к этому стоит добавить и постоянный рост цен на электроэнергию, то также отражается на стоимости владения электромобилем.

Что в итоге

С учетом вышесказанного становится понятно, что активное внедрение инновационных технологий позволило значительно увеличить автономность современного электромобиля. Однако применение таких технологий сильно влияет на конечную стоимость транспортного средства, не позволяя сделать его массовым решением.

Что касается более доступных по цене версий, аккумуляторы, время зарядки от бытовой сети около 7-8 часов, а также небольшой запас хода продолжают оставаться слабыми местами таких электромобилей.

Еще следует отметить то, что далеко не во всех странах наблюдается активное развитие инфраструктуры в виде создания специальных станций для быстрой зарядки или замены батарей. Также обстоят дела и со специализированными сервисами по ремонту и обслуживанию электромобилей. Если в Европе и США этому вопросу уделяется большое внимание, на территории СНГ, к сожалению, все еще нельзя говорить о создании приемлемых условиях для нормальной эксплуатации электрокаров.

Вполне возможно, что в скором времени ситуация изменится, однако сегодня электромобиль на отечественных дорогах продолжает оставаться большой редкостью. Обычно такую машину можно встретить в крупных городах. При этом обеспеченные владельцы зачастую приобретают электрические автомобили скорее для развлечения, нежели в практических целях.

Другими словами, для подавляющего большинства водителей не стоит рассматривать электромобиль в качестве основного и постоянного транспортного средства, особенно если говорить о странах на территории СНГ.