Гибриды и автомобили на топливных элементах, главная движущая сила — это электрический двигатель. В основу работы современного электродвигателя положен принцип электромагнитной индукции — явления, связанного с возникновением электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока.

Тесная взаимосвязь между магнитными и электрическими явлениями открыла перед учеными новые возможности. и всего электромашиностроения в целом начинается с закона электромагнитной индукции, открытого М. Фарадеем в 1831 году, и правила Э. Ленца, согласно которому индукционный ток всегда направлен таким образом, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Труды Фарадея и Ленца легли в основу Бориса Якоби.

Современные электродвигатели, хоть и основаны на одном и том же законе, что и электромеханический преобразователь Якоби, но существенно от него отличаются. Со временем электрические моторы стали мощнее, компактнее, кроме того, их КПД значительно вырос. Коэффициент полезного действия современного тягового электродвигателя может составлять 85-95 %. Для сравнения, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания без вспомогательных систем едва ли дотягивает до 45 %.

Виды современных электродвигателей

Электрические двигатели различаются по роду питающего напряжения:

• Двигатель переменного тока
• Двигатель постоянного тока

по числу фаз питающей сети:

• Однофазный электродвигатель. С одной рабочей обмоткой, подключается к однофазной сети переменного тока;
• Двухфазный электродвигатель. Имеет две обмотки, сдвинутые в пространстве на 90 градусов;
• Трехфазный электродвигатель. Подключается к трехфазной сети переменного тока, имеет 3 обмотки, магнитные поля которых расположены через 120 градусов.

по конструктивному исполнению:

• Коллекторный. Переключателем тока в обмотках и датчиком положения ротора является тоже самое устройство — щёточноколлекторный узел. Работает преимущественно на постоянном токе, однако современные электродвигатели, так называемые универсальные коллекторные двигатели, могут одновременно работать на постоянном и переменном токе;
• Бесколлекторный. Вентильные двигатели постоянного тока выполнены в виде замкнутой системы с датчиком положения ротора, инвертором и преобразователем координат.

по принципу работы:

• Синхронный электродвигатель. Электромеханическая машина, в которой ротор вращается синхронно с магнитным полем переменного тока;
• Асинхронный электродвигатель. Частота вращения ротора асинхронного двигателя переменного тока не совпадает с частотой вращения магнитного поля, которое создается током обмотки статора.

и по способу возбуждения:

• с возбуждением от постоянных магнитов;
• с параллельным возбуждением;
• с последовательным возбуждением;
• с последовательно-параллельным.

Тяговый электродвигатель для электромобиля

Электрический двигатель для может быть как постоянного, так и переменного тока. Его основная задача — передача крутящего момента на движитель электромобиля. Основные отличия современного тягового электродвигателя от традиционной электромеханической машины являются большая мощность и компактные размеры, вызванные ограниченностью используемого пространства. В качестве характеристик тягового электромотора, кроме мощности и максимального крутящего момента, учитываются напряжение, ток, а также частота вращения.

Мотор-колесо

В последнее время в качестве двигателя для электромобиля инженеры используют систему мотор-колесо, правда, все чаще на концепт-карах. Исключением стал – спортивный электромобиль, построенный силами Venturi и Michelin, который скоро поступит в продажу. Технология Active Wheel имеет ряд преимуществ. Все активные системы безопасности, такие как ABS, ESP, Brake Assist и Traction Control можно прошить в управляющий софт, после чего они смогут воздействовать на каждое колесо в отдельности. Добавим к этому мобильность системы и способность регенерировать энергию торможения.

Конечно, есть и недостатки. Попробуйте впихнуть кучу механизмов внутрь маленького обода. Если это и получится, то вес колеса увеличится, а это плохо скажется на управляемости, повысится износ подвески, увеличится передача вибрации на кузов. Идеальный вес автомобильного колеса должен составлять 10-30 кг. Инженерам Michelin удалось вписаться в эти рамки – тяговый электродвигатель Active Wheel весит всего 7 кг, а остальная механика системы укладывается в 11 кг.

Преимущества и недостатки электродвигателя

Преимуществ перед ДВС у электродвигателя много:

• Малый вес и достаточно компактные размеры. К примеру инженеры весом 25 кг, который может выдавать до 650 Нм.
• Долговечность, простая эксплуатация.
• Экологичность.
• Максимальный крутящий момент доступен уже с 0 об/мин.
• Высокий КПД.
• Нет необходимости в коробки передач. Хотя, по мнению специалистов, .
• Возможность рекуперации.

Существенных недостатков у самого электродвигателя нет. Но есть большие сложности в его питании. Несовершенство источников тока не дают пока что массово использовать электродвигатели в автомобилестроении.

Видео : (Процесс сборки электромобиля ).

› Конверсия авто в электро! Выбор двигателя и контроллера!

Безусловно самой затратной частью электромобиля является батарея!
И как рассказывалось в прошлой статье от емкости батареи зависит дальность пробега, но
и от КПД двигателя и расходуемой им энергии на 1 км тоже зависит многое!
Что касается стоимости то дуэт двигателя и контроллера занимает вторую строчку по стоимости после батареи!

На каких двигателях вообще можно ездить?
П сути их 3 типа!
1. Двигатель постоянного тока смешанного, последовательного или параллельного возбуждения(DC);
2. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами или еще их называют без щеточными (BLDC);
3. Двигатели переменного тока асинхронные с медным или алюминиевым короткозамкнутым ротором (АС);

Самым бюджетным комплектом из этой тройки является 1 вариант. Как правило он состоит из б/у или нового тягового двигателя от погрузчика "Балканкар" болгарского производства или хорошо зарекомендовавших себя двигателей марки ДС-3,6 и ДС-6,3. Многие конверсии авто начинались с того, что человеку подворачивался такой двигатель, а вместе с ним мысль перейти на электротягу. Цена такого двигателя в зависимости от состояния может быть разной но в среднем это около 400 у.е. Есть американские монстры такие как Varp и Advanced по цене от 700 у.е. и выше! Контрллер к нему подобрать не трудно, многие дерзают паять их дома. Из широко используемых у нас это Kelly, Комета и так называемый Контроллер от "Романтика" (Юрия Логвина, Романтик - никнейм на электромобилном форуме), Цена таких контроллеров тоже не высока от 300 до 500 у.е. Для американских монстров Varp и Advanced контроллер выской мощности может стоить и до 2000 у.е. Плюсами двигательной установки с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения о которых шла речь выше, несомненно являются цена и высокая перегрузочная способность, т.е. при номинальной мощности в 3,6 кВт двигатель может выдать при необходимости в 3-5 раз больше! В зависимости от мощности используемого контроллера. Минус отсутствие либо сложность организации процесса рекуперации (свойство двигателя становится генератором и заряжать батарею во время торможения или движения под гору) относительно низкий КПД 75-85% на номинальных оборотах. Двигатели с параллельным возбуждением среди самоделок получили меньшее распространение, но ими комплектовались серийные электромобили Рено и Ситроен Саксо. Эти машины можно относительно недорого купить на вторичном рынке в Германии, останется только укомплектовать батареей.

2-й вариант Дороже предыдущего как правило продается парой двигатель+контроллер, (в среднем около 1,5 тыс. у.е.) обладает высоким КПД более 90%, но имеет низкую перегрузочную способность, если взять минимальную расчетную мощность 6 кВт на 1т снаряженной массы, то для 1 варианта достаточно мощности 3,6 кВт для варианта 2 - 10-12 кВт. Рекуперация на таком комплекте организовывается без проблем и чаще всего присутствует как стандартная опция контроллера.

3-й вариант самый дорогостоящий! Самый прогрессивный! Имеет один минус - Цена! Но сколько плюсов?!
Достаточно сказать, что асинхронным двигателем с медным ротором оборудован автомобиль Tesla model S!
Но не все так грустно! Для конверсии можно использовать обычный общепромышленный асинхронный двигатель, скажем АИР112MB8! Но обмотки статора нужно будет перемотать специальным образом. Тип такой обмотки называется "Славянка" такое название ей дали ее разработчики, наши с вами соотечественники. Этот тип обмотки позволяет получить из обычного асинхронника отличный тяговый мотор, с расходом энергии на км на 30-40% ниже чем на двигателях постоянного тока! Это значит что с одной и той же батареей на асинхроннике со "Славянкой" ваш пробег будет больше. Диапазон оборотов до 6000 и выше. Контроллер для такого двигателя стоит от 1,5 до 2,5 тыс. у.е. можно найти на торговых площадках за 700-1000 у.е. б/у. в основном это Сurtis. Сейчас активно ведется разработка такого контроллера Российскими учеными-энтузиастами! Возможно к весне будут готовы первые мелкосерийные образцы. Они будут дешевле.

Подытожим!

Если вы хотите не дорого электрифицировать авто до 800 кг, ищите двиг от погрузчика! Масса двигателя должна быть не менее 40-50 кг! Это важно! Двигатель в 30 кг мощностью 6 кВт не будет обладать нужным крутящим моментом и будет греться до критических 110 градусов! Также на шилде двигателя может быть указан режим его работы - S1, S2, S3, S4. Вам нужен S1 или S2. Обороты двигателя для конверсии с КПП должны быть сопоставимы с ДВСными, т.е. не менее 1800 оборотов. Их число можно поднять увеличив напряжение с номинальных, скажем 48В до 72В. Уже под найденный двигатель подбирайте контроллер!

Если вы хотите получить компактный двигатель с рекуперацией и не дорого, возьмите комплект бесколлекторный двигатель плюс контроллер! Лучше брать комплект т.к. это упростит монтаж и будет гарантировать совместимость контроллера и двигателя и их оптимальность работы.

Если вы решили подойти к конверсии всерьез и хотите получить авто с отличными характеристиками с рекуперацией и максимальной скоростью за 100 км, то ваш выбор в пользу асинхронника со "Славянкой"!
Такую конверсию лучше начать с поиска и покупки именно контроллера! И уже под контроллер и его характеристики подбирать двигатель.

Вот такие пироги!

2 года

Комментарии 7

Привет! Много букв, ноя осилил!)
Откуда вы взяли, что Дуюнов раскрыл обмоточные данные "славянки"?
У нас к примеру с ним лицензионный договор, на ее использование, а его патентное право охраняется законом. В вашей идее все логично! Лично меня смущает 2 момента:
Качество обеспечения электробезопасности при использовании опасных напряжений на серийных образцах.
Абсолютная непригодность промышленных частотников к потребительской эксплуатации на транспорте.
Что думаете?

В свете того, что г-н Д. А. Дуюнов раскрыл свой секрет совмещённой обмотки типа «Славянка, мы составили отладочную блок-схему гибридного транспортного средства с таким двигателем, поскольку на малых оборотах такой двигатель создаёт 4-х кратный крутящий момент, по сравнению с обычным асинхронным двигателем.
Изначально предполагалось, что двигатель лучше мотать на нестандартное пониженное напряжение, для уменьшения количества банок аккумуляторов. Однако, ознакомившись с ассортиментом и ценами на низковольтные ПЧ мы пришли к выводу, что целесообразнее использовать промышленный ПЧ, рассчитанный на питание от 3-х фазной сети переменного тока 200…240V - для транспортных средств средней грузоподъёмности, и ~115V – для более лёгких применений.
Примером первого ПЧ может быть VARISPEED CIMR-F7Z-2018 – 18kW,
второго - VACON0010-1L-0005-1-MACHINERY ~115V 1.1kW.
Диодный мост на входе ПЧ исключается, напряжение питания с аккумуляторов подаётся непосредственно на конденсатор фильтра.
При использовании ПЧ с векторным управлением можно отказаться от коробки передач – КПП.
Аккумуляторы можно использовать разные, у каждого типа есть свои достоинства и недостатки. Свинцово - кислотные самые дешевые, но и самые тяжелые, зато не требуют балансировочных устройств на каждой банке. Однако, самый неприятный их недостаток – малое количество циклов заряда – разряда. Поэтому оставим их в прошлом.
Никель – металл - гидридные получше, однако в промышленных гибридах сейчас от них отказываются в пользу LiFePO4.
Это лучший вариант, цена за 1Ah около 70…80р, к сожалению, требуются балансировочные устройства на 3.65V. Однако их плюс в том, что в процессе цикла разряда напряжение на них остаётся более-менее стабильным в пределах 3.2V. Хотя, рабочим считается диапазон 2.8…3.65V.
LiIon и LiPo аккумуляторы имеют меньший вес при той же мощности, но цена у них более 100р. за 1ah. Требуются балансировочные устройства на каждой банке на 4.2V. Кроме того имеют меньшее число циклов заряда – разряда.
Таким образом, целесообразно использовать один из последних типов аккумуляторов: LiPo или LiFePO4, у последних цена получится ниже, вес немного больше, разброс напряжений немного ниже, больше циклов заряд - разряд.
Стоить заметить, что для гибрида особо большая ёмкость аккумуляторов не нужна. Основная их функция – буфер между генератором и ПЧ. При разгоне энергия берётся из АКБ, при ровной езде – от генератора, в это же время происходит подзарядка АКБ для следующих разгонов. Вторичная функция АКБ – забирать энергию в себя при торможении двигателем - рекуперация.
В качестве генератора можно использовать массу различных устройств. Это и стандартные генераторы, работающие на бензине, солярке или газу. Лучшие результаты должны дать линейные (вибрационные) генераторы, в которых отсутствует кривошипно-шатунный механизм, в результате чего, повышается их КПД. Можно использовать двигатель внешнего сгорания - Стирлинга, совмещённый с линейным генератором и топить гибрид дровами)))

Возьмём для примера гибридный автомобиль Toyota Prius NHW20.
В высоковольтной батарее ВВБ используются NiMH (никель-металл-гидридные) аккумуляторы (ячейки) ёмкостью 6500 mAh и номинальным напряжение 7.2v.
Каждая ячейка состоит из шести "банок" напряжением 1.2v объединенных в один общий корпус с двумя выводами по краям. В высоковольтной батарее таких ячеек 28 штук,
разбитых на 14 контролируемых компьютером пар.
Общее количество элементов питания 6 *28 =168шт. Среднее напряжение 1.2 *168 =201.6V. Общая мощность (6500mah/1000) *7.2V *28шт. =1310.4 W.

Делаем перерасчёт на LiPo и PiFePO4 батареи, с учётом того, что они будут питать промышленный ПЧ - VARISPEED F7.
Номинальное напряжение - 3 фазы, 200/220/230/240V + 10%, - 15%, 50/60 Гц
Следовательно, ПЧ сохраняет работоспособность при переменном напряжении на его входе от 170 до 264 вольт.
По постоянке - это 170 *sqrt(2) =240.4 минус падение на диодах моста 239V
264 *sqrt(2) =373.3 минус падение на диодах моста 372V
Для LiIon, выбираем 84 банки. Диапазон напряжений составит:
84 *2.85 =239…84 *3.7 =311…84 *4.2 =353V
Pэл =1300 /84 =15.5W; Iэл =1000 *15.5 /3.7 =4200mah.
Для LiFePO4 оптимально 96 банок. Диапазон напряжений составит:
96 *2.8 =268.8…96 *3.2 =307.2…96 *3.65 =350.4V
Pэл =1300 /96 =13.5W; Iэл =1000 *13.5 /3.2 =4232mah.
Стоимость 96-и ячеек LiFePO4 5500mah составит около 45000р. Стоимость балансировочных устройств к ним – 5000р. И того: 50000р. Масса 15kg.

Теперь произведем расчёт, с использованием ПЧ на 115Vac, подходящий, скажем, для электромопеда.
VACON0010-1L-0005(4,3,2,1)-1-MACHINERY ~115V;
1.1(0.75, 0.55, 0.37, 0.25) kW; 4.7(3.7, 2.8, 2.4, 1.7) A
Input voltage Uin 115 V, -15%…+10% 1~ 97.75… 126.5V
По постоянке это: 138.24…178.9V, минус падение на мосте 137…177.5V
Для LiIon выбираем 44 банки. Диапазон напряжений составит:
44 *3.11 =137 …44 *3.7 =163…44 *4.2 =184.8V, вывод: забрать можно около 90…94% емкости.
Для LiFePO4 оптимально 48 банок. Диапазон напряжений составит:
48 *2.85 =136.8…48 *3.2 =153.6…48 *3.65 =175.2V, вывод: забрать можно около 98% емкости.

Возьму асинхронный двигатель на 180W (завалялся у меня такой), перемотаю его на 115Vac, "Славянку". 48 элементов LiFePO4 5.5ah обойдутся в 22.2т.р., плюс балансировочные платы 2.5т.р. масса АКБ получится 7.1кг. При потреблении 180W на таком АКБ ехать можно в течении 4.7часа. При 500W - 1.7часа.

В свете того, что изобретатель г-н Дуюнов Дмитрий Александрович раскрыл свой секрет совмещённой обмотки типа «Славянка, я решила составить приблизительную блок-схему гибридного транспортного средства с таким двигателем.
Хотелось бы, чтобы участники форума внесли свои предложения, замечания, исправления.
В расчетах буду исходить из того, что оборудование будет установлено на легковой автомобиль, например ВАЗ 2109.
Начну с самого двигателя. Поиск в Интернете показал, что для перемотки можно использовать 4-x киловаттный двигатель, однако для достижения больших мощностей и скоростей стоит взять немного более мощный двигатель, например 5kW. После перемотки на «Славянку» номинальная мощность двигателя должна составить более 15kW, а пиковая (при разгоне) 55…65kW.
Изначально предполагала, что двигатель лучше мотать на пониженное напряжение, для уменьшения количества банок аккумуляторов, однако, ознакомившись с ассортиментом и ценами на низковольтные частотные преобразователи решила, что дешевле получится использовать стандартный промышленный преобразователь частоты, рассчитанный на питание от однофазной сети ~220V или от 3-х фазной 200V.
Примером первого может быть «Овен» ПЧВ3-11К-Б - 11kW.
- второго VARISPEED CIMR-F7Z-2018 – 18kW.
Впрочем, какой мощности должен быть частотник стоит подумать дополнительно, поскольку в пике он должен выдавать до 65kW.
Предполагается не использовать диодный мост на входе частотника, а подавать напряжение питания с аккумуляторов непосредственно на конденсатор фильтра. При этом разброс питания полностью заряженных и полностью разряженных аккумуляторов весьма велик. Например, для LiIon АКБ, составленной из 74 банок разброс составляет 210.8…307.2V. Поэтому необходимо будет изменить схему защиты от пониженного напряжения внутри ПЧ, чтобы он мог работать при таком разбросе. Возможно, следует увеличить количество банок в АКБ, например до 83-х, тогда разброс напряжений будет в диапазоне 236…348.6V, однако, тогда придётся изготавливать нестандартный генератор, с переменным напряжением на выходе не ~220V, а ~250V.
Если использовать ПЧ с векторным управлением, то можно отказаться от коробки передач – КПП.
Аккумуляторы можно использовать разные, у каждого типа есть свои достоинства и недостатки. Свинцово - кислотные самые дешевые, но и самые тяжелые, зато не требуют балансировочных устройств на каждой банке. Однако, самый неприятный их недостаток – малое количество циклов заряда – разряда. Именно поэтому не стоит с ними связываться. В итоге дороже окажется. Никель – марганцевые, не знаю, можно подумать, но почему то в промышленных гибридах сейчас от них отказываются в пользу LiFePO4.
Это хороший вариант, цена за 1Ah около 70…80р, требуются балансировочные устройства на 3.65V. Ещё их плюс в том, что в процессе цикла разряда напряжение на них остаётся более-менее стабильным в пределах 3.3…3V. Хотя, рабочим считается диапазон 2.8…3.65V. LiIon и LiPo имеют меньший вес при той же мощности, но цена у них более 100р. За 1ah. Требуются балансировочные устройства на каждой банке на 4.2V.
В общем целесообразно использовать один из последних типов аккумуляторов: LiIon или LiFePO4, у последних цена получится пониже, вес побольше, разброс напряжений немного ниже.
Стоить заметить, что особо большая ёмкость аккумуляторов не нужна. Основная их функция – буфер между генератором и частотником. При разгоне энергия берётся из АКБ, при ровной езде – от генератора, в это же время происходит подзарядка АКБ для следующих разгонов. Вторичная функция АКБ – забирать энергию в себя при торможении двигателем.
В качестве генератора можно использовать массу различных устройств. Это и стандартные генераторы, работающие на бензине, солярке или газу. Лучшие результаты должны дать линейные (вибрационные) генераторы, в которых отсутствует кривошипно-шатунный механизм, в результате чего, теоретически, поднимается их КПД. Можно использовать двигатель внешнего сгорания Стирлинга, совмещённый с линейным генератором и топить гибрид дровами)))
Какая должна быть мощность генератора – не знаю, думаю можно попробовать, начать с 6kW.

Лучше, хуже, тут не совсем уместно…
В каждом типе двигателя есть свои плюсы и минусы.
Один из важных плюсов тягового двигателя от погрузчика, это цена и совокупная стоимость комплекта двигатель+контроллер и его высокая перегрузочная способность, о чем сказано выше.
Тут уж что Вам ближе, доступнее, интереснее. Ну и где и как собираетесь эксплуатировать авто.

Данный двигатель, используется в перемотанном виде. Обмотка его статора заменяется на совмещенную обмотку "Славянка", с которой развивемая им мощность существенно увеличивается и, по сути, ограничивается мощностью контроллера.