Защо електромобилите използват асинхронни електродвигатели

Стремежът към максимална ефективност в съвременния транспорт доведе автомобилната индустрия до категорично заключение по отношение на задвижването. Докато ранните прототипи и преустройствата, извършвани от любители, често използваха системи с постоянен ток (DC), глобалният преход към високопроизводителна мобилност се задвижва от променлив ток (AC).

В Equipmake се фокусираме върху новаторската интеграция на технологии за променлив ток, за да осигурим превъзходна плътност на мощността и термична надеждност. Разбирането Защо електромобилите използват асинхронни електродвигатели? изисква техническо разбиране за това как тези системи управляват преобразуването на енергията, топлината и предаването на въртящия момент при екстремни експлоатационни натоварвания.

Основни изводи

• Висока ефективност: Асинхронните електродвигатели, и по-специално моделите с постоянни магнити, осигуряват по-висока ефективност в по-широк диапазон на оборотите в сравнение с техните аналози, работещи с постоянен ток.
• Регенеративно спиране: Конструкцията на системите с променлив ток позволява безпроблемно оползотворяване на кинетичната енергия, което значително увеличава пробега на превозното средство.
• Плътност на мощността: Усъвършенстваните архитектури на асинхронни електродвигатели, като например нашата серия APM, осигуряват изключително съотношение мощност-тегло, което е от съществено значение за електрификацията на тежкотоварни превозни средства.
• Надеждност: Липсата на физически четки в повечето конструкции на асинхронни електродвигатели намалява триенето, нагряването и изискванията за поддръжка, като по този начин осигурява дългосрочна експлоатационна надеждност.
• Прецизен контрол: Вграждането на инвертори с карбид на силиций осигурява ултрабързо превключване и прецизно управление на въртящия момент, което подобрява усещането при шофиране.

Накратко, технологията може да се определи по следния начин: Електрическите автомобили използват асинхронни електродвигатели, тъй като те осигуряват отличен баланс между ефективност, възможност за регенеративно спиране и висока плътност на мощността. Чрез използването на честотен регулатор за двигател Чрез преобразуването на постояннотоковото захранване от акумулатора в променливотоков сигнал с променлива честота инженерите могат да постигнат прецизен контрол върху скоростта и въртящия момент на превозното средство, като същевременно запазят леката конструкция.

Сравнение на характеристиките на двигатели с променлив и постоянен ток

Функции	Асинхронни/постоянномагнитни електродвигатели	Двигатели с постоянни ток с ъглови контакти
Ефективност	Обикновено 90%–97%	Обикновено 75%–85%
Поддръжка	Практически нулево (безчетков)	Висока (подмяна на четката)
Регенеративно спиране	Естествено интегрирано	Сложно/Изисква допълнителен хардуер
Плътност на мощността	Много висока (например серията APM)	Ниска до умерена
Управляемост	Точност чрез инвертор	Зависимо от напрежението

Физиката на задвижването: защо променливотоковото задвижване доминира

Основната причина Защо електромобилите използват асинхронни електродвигатели? се крие във фундаменталните физични принципи на електромагнитната индукция и взаимодействието на постоянните магнити. В двигател с постоянен ток магнитното поле е статично, а физическото превключване на посоката на тока — комутацията — трябва да се осъществява вътре в самия двигател с помощта на четки.

Разглеждаме това като механично препятствие, което ограничава както максималните обороти в минута, така и термичната ефективност. Асинхронните електродвигатели, от друга страна, прехвърлят сложността на комутацията към контролер на двигателя и инвертор. Това позволява на двигателя да остане компактен и издръжлив, тъй като няма плъзгащи се контакти, които да се износват или да предизвикват искри.

Ролята на инвертора

Тъй като акумулаторната батерия съхранява постоянен ток, е необходима междинна стъпка за получаване на променлив ток, с който работи променливотоков двигател. Ето тук 3-фазни инвертори става сърцевината на задвижващата система, а електромобилите разчитат именно на това преобразуване между акумулаторния пакет и електродвигателя. Инверторът приема статичното напрежение на постоянен ток и го преобразува в бързо колебаещ се трифазен сигнал на променлив ток.

Чрез регулиране на честотата на тези колебания се постига прецизен контрол на скоростта, а при електромобилите – същата контролна функция, която в промишлените системи често се осъществява чрез честотни регулатори. Чрез регулиране на амплитудата се усъвършенства контролът на въртящия момент. Този интегриран подход ни позволява да осигурим плавен преход от състояние на покой към движение с висока скорост – постижение, което традиционните двигатели с вътрешно горене (ДВГ) не могат да възпроизведат без сложни многостепенни скоростни кутии.

Технически предимства на архитектурите с променлив ток

Когато обсъждаме Защо електромобилите използват асинхронни електродвигатели? Заедно с нашите партньори често поставяме акцент върху конкретните предимства по отношение на компактността и теглото на превозните средства. За операторите на търговски автопаркове и иноваторите в аерокосмическата индустрия всеки спестен килограм в задвижващия механизъм означава един килограм повече полезен товар или капацитет на батерията.

Ненадмината плътност на мощността

Асинхронни електродвигатели, по-специално тези, които използват архитектури с радиален или аксиален поток, могат да бъдат проектирани така, че да са невероятно леки, като архитектурите с променлив ток осигуряват по-висока плътност на мощността в един компактен дизайн. Нашата новаторска серия двигатели APM се възползва от богатото ни наследство в областта на моторните спортове, за да постигне едни от най-високите плътности на мощността в бранша.

Това е възможно, защото асинхронните електродвигатели могат да работят при значително по-високи обороти в сравнение с синхронните електродвигатели. Тъй като формулата за мощността е произведението на въртящия момент и ъгловата скорост ((P = \tau \omega)), увеличаването на оборотите ни позволява да генерираме огромна механична мощност в по-малка и по-лека опаковка. Можете да се запознаете с техническите подробности по този въпрос в нашето ръководство за леки електродвигатели, а това предимство в конструкцията спомага и за ефективната работа на двигателите на електромобилите в целия широк диапазон на скоростта.

Термично управление и надеждност

В условия на висока производителност топлината е основният враг на ефективността. Еднопосочните електродвигатели изпитват затруднения с отвеждането на топлината, тъй като компонентите, генериращи топлина (навивките на ротора), са разположени в центъра на електродвигателя, което затруднява ефективното им охлаждане.

В съвременните асинхронни електродвигатели, особено Синхронни електродвигатели с постоянни магнити (PMSM), по-голямата част от топлината се генерира в статора (външния пръстен). Това значително улеснява внедряването на течни охлаждащи кожуси, които обгръщат двигателя и бързо отвеждат топлината. Този превъзходен термичен профил е основната причина за с дълъг експлоатационен срок и надеждността, свързана с нашите Системи за задвижване на електрически превозни средства.

Влияние върху пробега: регенеративно спиране

Един от най-убедителните отговори на Защо електромобилите използват асинхронни електродвигатели? е способността за рекуперация на енергия. При стандартен автомобил с двигател с вътрешно горене при спиране кинетичната енергия просто се превръща в загубена топлина чрез триене.

При превозно средство, задвижвано с променлив ток, моторът и инверторът работят в обратен режим по време на забавяне, което осигурява на системата висока ефективност при регенеративното спиране. Двигателят действа като генератор, създавайки променлив ток, който инверторът преобразува обратно в постоянен ток за презареждане на акумулатора, а тази възстановена енергия спомага за удължаване на пробега. Този процес на “регенеративно спиране” може да подобри общия пробег на превозното средство с до 20% в градски условия с често спиране и потегляне.

Безпроблемна интеграция в търговските автопаркове

За автобусните превозвачи и сектора на тежката логистика тази ефективност е революционна. Чрез интегрирането на асинхронни електродвигатели в нашите превозно средство за извънпътна употреба и проекти за модернизация на автобусите, ние помагаме на градовете да постигнат строгите цели за намаляване на въглеродните емисии, без да се нарушава експлоатационният цикъл на превозното средство.

Способността да се справят с тежки товари по стръмни наклони, като едновременно с това се рекуперира енергия при спускане, прави AC единствения приложим избор за електрификация в търговския сектор.

Технологични нюанси: PMSM срещу индукционни двигатели

Макар че по-широката категория е AC, в момента в автомобилния сектор се конкурират две основни архитектури за доминираща позиция. Изборът ви между тях зависи от конкретните изисквания за производителност на вашия проект.

• Синхронни електродвигатели с постоянни магнити (PMSM): Те осигуряват най-висока ефективност и плътност на мощността. В тях се използват магнити от редки земни елементи в ротора за създаване на постоянно магнитно поле, така че роторът разполага със собствено магнитно поле, генерирано от постоянни магнити. По време на работа роторът се върти в синхрон с честотата на променливото напрежение. Повечето електромобили с висока производителност, включително тези, които използват нашата APM технология, предпочитат тази конструкция.
• Асинхронни електродвигатели с променлив ток: Те не използват постоянни магнити. Вместо това те индуцират магнитно поле в ротора чрез променливотоковото захранване на статора. Това са асинхронни електродвигатели, което означава, че роторът не се върти със същата скорост като въртящото се магнитно поле. Макар и да са малко по-малко ефективни при по-ниски скорости, те са издръжливи и позволяват да се избегнат разходите, свързани с материалите от редки земни елементи.

Ние предлагаме вертикално интегрирана експертиза, която ще ви помогне да определите подходящия тип двигател, като изберете най-подходящия за вашето приложение и съобразно вашите общи приоритети при проектирането на двигателя, независимо дали става въпрос за високоскоростни аерокосмически двигатели или морски системи с висок въртящ момент, които използват тези усъвършенствани електрически машини.

Ускоряване на прехода с помощта на силициев карбид

Наблюдаваното напоследък подобрение в характеристиките на асинхронните електродвигатели се дължи до голяма степен на развитието на силовата електроника. Ние сме интегрирали инвертори от силициев карбид (SiC) в нашите задвижващи системи, за да разширим границите на възможното.

Стандартните инвертори на силициева основа страдат от загуби при превключване — енергия, която се разсейва под формата на топлина при всяко променяне на посоката на тока. SiC инверторите работят на по-високи честоти със значително по-ниски загуби. Това позволява на променливотоковия двигател да работи при по-ниска температура и по-ефективно, като по този начин ефективно увеличава “икономията на гориво” на батерията.

Прецизност при интегрирането на задвижващия механизъм

Постигането на оптимална производителност не зависи само от двигателя; то зависи от интегрирана задвижваща система. Ние се застъпваме за цялостен подход, при който двигателят, инверторът и системата за управление на акумулатора се проектират в синхрон, което позволява по-прецизно регулиране на скоростта и въртящия момент по цялата задвижваща верига, като прецизното регулиране на скоростта зависи от съгласуваното настройване на инвертора, двигателя и акумулаторната система.

Когато си сътрудничите с Equipmake, вие не просто се снабдявате с дадена част. Вие си сътрудничите с партньор, който знае как да преодолее разстоянието между първоначалната концепция и внедряването на пазара, като гарантира, че всеки компонент от технология на двигателя е настроен за максимална производителност и надеждност.

Развенчаване на разпространени погрешни представи

Много висши ръководители често се питат дали DC все пак може да има място в бъдещето на транспорта, може би в по-леки приложения като електровелосипеди или малък морски двигатели. Докато безчеткови DC (BLDC) двигатели те са широко разпространени в малките електронни устройства; от техническа гледна точка те представляват вид асинхронен електродвигател — за разлика от ранните електромобили, които разчитаха в по-голяма степен на конструкции с четков постоянен ток, те изискват електронен контролер, който да подава променлив сигнал към намотките.

Буквите “DC” в наименованието на тези двигатели се отнасят до източника на входящото напрежение, а не до вътрешния им принцип на действие, докато при моделите с четки токът достига до ротора чрез четки и комутатор. Ето защо дори при по-малките приложения индустрията е преминала изцяло към безчеткови двигатели, работещи на принципа на променливото напрежение, тъй като те предлагат:

1. По-дълъг експлоатационен живот благодарение на намаленото механично износване.
2. По-високи максимални скорости за по-добри експлоатационни характеристики по магистралите и по летателните траектории.
3. По-добри показатели за безопасност, тъй като системите с променлив ток могат да бъдат изключени електронно по-лесно, отколкото системите с постоянен ток с висок ток.

Стратегически прозрения за електрификацията на автомобилния парк

Преходът на автомобилния парк от двигатели с вътрешно горене към електрически е значително капиталово начинание. Определянето на Защо електромобилите използват асинхронни електродвигатели? помага да се изясни дългосрочната възвръщаемост на инвестицията. Намалените разходи за поддръжка на асинхронния електродвигател — който често издържа през целия експлоатационен срок на превозното средство, без да се налага механична намеса — значително понижават общите разходи за притежание (TCO).

Според опита ни в модернизирането на общинските автобусни паркове, преминаването към задвижващи системи с променлив ток елиминира стотици движещи се части, присъщи на дизеловите двигатели. Това води до по-дълго време на експлоатация на превозните средства и по-надеждно обслужване за крайния потребител. Смятаме, че това не е само екологичен избор, а и стратегически икономически избор.

Пример от практиката: Надеждност в екстремни условия

Независимо дали става дума за военни приложения когато високият въртящ момент е задължително условие, или морски среди В случаите, когато съществува риск от корозия, причинена от соления въздух, асинхронните електродвигатели осигуряват отлична защита. Тъй като са безчеткови, вътрешните им компоненти могат да бъдат херметично запечатани, което предпазва чувствителните електромагнитни структури от въздействието на атмосферните условия.

Бъдещи тенденции в производството на двигатели

В момента наблюдаваме тенденция към все по-специализирани конструкции на двигателите. Дискусията между аксиален поток и радиален поток е идеален пример. Макар радиалният поток да е стандартът за повечето автомобили днес, аксиалният поток предлага безпрецедентно съотношение между въртящ момент и тегло, което би могло да революционизира следващото поколение суперколи и електрически самолети.

Нашият ангажимент към производство на двигатели Стремежът към съвършенство ни гарантира, че ще останем в челните редици на тези промени. Като контролираме проектирането и производството изцяло в рамките на компанията, можем да реагираме бързо, преминавайки от фазата на инженерно консултиране по индивидуална поръчка към пълномащабно производство за рекордно кратко време.

Често задавани въпроси

Защо електромобилите не могат просто да използват двигатели с постоянен ток, захранвани директно от акумулатора?

Въпреки че двигател с постоянен ток може да работи директно от акумулатор, той е изключително неефективен за автомобилни приложения. Двигателите с постоянен ток се нуждаят от четки за промяна на посоката на тока, което води до триене, нагряване и искри. Това ограничава скоростта на двигателя и налага честа поддръжка. Двигателите с променлив ток, управлявани от инвертор, са по-ефективни, достигат по-високи скорости и позволяват регенеративно спиране.

Дали асинхронният електродвигател е по-скъп от синхронния електродвигател?

В началото разходите за системата за климатизация може да са по-високи, тъй като тя изисква сложна инвертор с карбид на силиций за да функционира. Въпреки това разходите през целия експлоатационен цикъл са значително по-ниски благодарение на липсата на необходимост от поддръжка и по-високата енергийна ефективност, което намалява разходите за електроенергия и удължава живота на батерията.

Кой е най-разпространеният тип асинхронен електродвигател, използван днес в електромобилите?

Сайтът Синхронен електродвигател с постоянни магнити (PMSM) е най-често срещаният избор за високопроизводителни леки автомобили и търговски приложения благодарение на високата си ефективност и плътност на мощността, като магнитното поле на ротора се създава от магнити, докато при други конструкции на синхронни двигатели могат да се използват намотки вместо или постоянни магнити сам. Индукционни двигатели се използват и като асинхронни електродвигатели, особено от производители, които искат да избегнат използването на магнити от редки земни елементи или търсят конкретни характеристики за работа при високи обороти.

Как електродвигателят с променлив ток увеличава пробега на превозното средство?

Асинхронните електродвигатели увеличават пробега предимно благодарение на по-високата си оперативна ефективност — като губят по-малко енергия под формата на топлина — и способността си да работят регенеративно спиране. Това позволява на автомобила да улавя енергията при забавяне, която иначе би се загубила, и да я насочва обратно към акумулатора.

Могат ли да се използват асинхронни електродвигатели в тежкотоварни търговски превозни средства?

Разбира се. Всъщност асинхронните електродвигатели са предпочитаният избор за приложения с висока натовареност. Нашите автобуси с обновена задвижваща система и решенията ни за извънпътна употреба разчитат на високия въртящ момент и термичната стабилност на асинхронните системи, за да превозват надеждно големи товари при тежки условия. Прецизността на Електродвигатели за електромобили в тези сектори традиционните дизелови двигатели не могат да се мерят с тях.

Необходимо ли е охлаждане на асинхронните електродвигатели?

Да, всички електродвигатели с висока мощност генерират известно количество топлина. Въпреки това, асинхронните електродвигатели се охлаждат по-лесно, тъй като топлината се концентрира в неподвижната външна част (статора). Това позволява използването на ефективни системи за течно охлаждане, които поддържат електродвигателя при оптимална температура, като по този начин осигуряват максимална производителност и дълъг експлоатационен живот.

Пътят напред с Equipmake

Техническото превъзходство на асинхронните електродвигатели е емпиричен факт в контекста на съвременната електрификация. От изискванията за високи обороти в моторните спортове до изтощителните работни цикли в обществения транспорт, системите с променлив ток осигуряват необходимата мощност и надеждност за бъдеще без вредни емисии.

Когато обмисляте електрификацията на следващия си проект, потърсете партньор с доказан опит в Британско инженерно съвършенство. Ние сме тук, за да ви предоставим стратегическите идеи и иновативните технологии, необходими за ускоряване на вашия преход. Заедно можем да предефинираме понятията за производителност и устойчивост чрез интегрирана, високопроизводителна задвижваща система.