Entuzjaści samochodów zawsze byli fanatykami silników, jednak elektryfikacji nie da się zatrzymać, a zasoby wiedzy niektórych osób mogą wymagać aktualizacji.
Najbardziej znanym obecnie jest silnik czterosuwowy, który jest także źródłem mocy większości pojazdów napędzanych benzyną.Podobnie jak silniki czterosuwowe, dwusuwowe i silniki wirnikowe Wankla stosowane w silnikach spalinowych, silniki pojazdów elektrycznych można podzielić na silniki synchroniczne i silniki asynchroniczne ze względu na różnicę w wirnikach.Silniki asynchroniczne nazywane są również silnikami indukcyjnymi, natomiast silniki synchroniczne zawierają magnesy trwałe.i prąd do wzbudzenia silnika.
Stojan i wirnik
Wszystkie typy silników pojazdów elektrycznych składają się z dwóch głównych części: stojana i wirnika.
Stojan▼
Stojan to część silnika, która pozostaje nieruchoma i stanowi stałą obudowę silnika, zamontowaną na podwoziu podobnie jak blok silnika.Wirnik jest jedyną ruchomą częścią silnika, podobną do wału korbowego, która przekazuje moment obrotowy przez przekładnię i mechanizm różnicowy.
Stojan składa się z trzech części: rdzenia stojana, uzwojenia stojana i ramy.Liczne równoległe rowki w korpusie stojana są wypełnione połączonymi ze sobą uzwojeniami miedzianymi.
Uzwojenia te zawierają schludne miedziane wkładki typu spinka do włosów, które zwiększają gęstość wypełnienia szczeliny i bezpośredni kontakt przewód-przewód.Gęste uzwojenia zwiększają przenoszony moment obrotowy, podczas gdy końce są bardziej starannie ułożone naprzemiennie, co zmniejsza objętość i zapewnia mniejszy ogólny pakiet.
Stojan i wirnik▼
Główną funkcją stojana jest generowanie wirującego pola magnetycznego (RMF), podczas gdy główną funkcją wirnika jest przecinanie linii sił magnetycznych w wirującym polu magnetycznym w celu wygenerowania prądu (wyjściowego).
Silnik wykorzystuje trójfazowy prąd przemienny do ustawienia pola wirującego, a jego częstotliwość i moc są kontrolowane przez elektronikę mocy reagującą na akcelerator.Akumulatory to urządzenia prądu stałego (DC), zatem elektronika zasilania pojazdu elektrycznego obejmuje falownik DC-AC, który dostarcza do stojana prąd przemienny niezbędny do wytworzenia niezwykle ważnego zmiennego wirującego pola magnetycznego.
Warto jednak zaznaczyć, że silniki te są również generatorami, co oznacza, że koła będą napędzać wirnik wewnątrz stojana, indukując wirujące pole magnetyczne w przeciwnym kierunku i przesyłając energię z powrotem do akumulatora poprzez przetwornicę AC-DC.
Proces ten, znany jako hamowanie regeneracyjne, powoduje opór i spowalnia pojazd.Regeneracja leży u podstaw nie tylko zwiększania zasięgu pojazdów elektrycznych, ale także wysoce wydajnych hybryd, ponieważ szeroko zakrojona regeneracja poprawia oszczędność paliwa.Jednak w prawdziwym świecie regeneracja nie jest tak efektywna jak „przetaczanie samochodu”, co pozwala uniknąć utraty energii.
Większość pojazdów elektrycznych wykorzystuje jednobiegową skrzynię biegów, która spowalnia obroty między silnikiem a kołami.Podobnie jak silniki spalinowe, silniki elektryczne są najbardziej wydajne przy niskich obrotach i dużym obciążeniu.
Podczas gdy pojazd elektryczny może uzyskać przyzwoity zasięg na jednym biegu, cięższe pickupy i SUV-y korzystają z wielobiegowych skrzyń biegów, aby zwiększyć zasięg przy dużych prędkościach.
Wielobiegowe pojazdy elektryczne są rzadkością i obecnie tylko Audi e-tron GT i Porsche Taycan korzystają z dwubiegowych skrzyń biegów.
Trzy typy silników
Urodzony w XIX wieku wirnik silnika indukcyjnego składa się z podłużnych warstw lub pasków materiału przewodzącego, najczęściej miedzi, a czasem aluminium.Wirujące pole magnetyczne stojana indukuje prąd w tych arkuszach, co z kolei wytwarza pole elektromagnetyczne (EMF), które zaczyna się obracać w wirującym polu magnetycznym stojana.
Silniki indukcyjne nazywane są silnikami asynchronicznymi, ponieważ indukowane pole elektromagnetyczne i moment obrotowy mogą być generowane tylko wtedy, gdy prędkość wirnika jest opóźniona w stosunku do wirującego pola magnetycznego.Silniki tego typu są powszechne, ponieważ nie wymagają magnesów ziem rzadkich i są stosunkowo tanie w produkcji.Są jednak mniej zdolne do rozpraszania ciepła przy długotrwałych dużych obciążeniach i są z natury mniej wydajne przy niskich prędkościach.
Silnik z magnesami trwałymi, jak sama nazwa wskazuje, jego wirnik ma swój własny magnetyzm i nie wymaga zasilania, aby wytworzyć pole magnetyczne wirnika.Są bardziej wydajne przy niskich prędkościach.Taki wirnik również obraca się synchronicznie z wirującym polem magnetycznym stojana, dlatego nazywany jest silnikiem synchronicznym.
Jednak samo owinięcie wirnika magnesami wiąże się z pewnymi problemami.Po pierwsze, wymaga to większych magnesów, a przy dodatkowym ciężarze utrzymanie synchronizacji przy dużych prędkościach może być trudne.Jednak większym problemem jest tak zwane „wsteczne pole elektromagnetyczne” o dużej prędkości, które zwiększa opór, ogranicza moc najwyższej klasy i generuje nadmiar ciepła, które może uszkodzić magnesy.
Aby rozwiązać ten problem, większość silników z magnesami trwałymi w pojazdach elektrycznych posiada wewnętrzne magnesy trwałe (IPM), które wsuwają się parami w podłużne rowki w kształcie litery V, rozmieszczone w wielu płatkach pod powierzchnią żelaznego rdzenia wirnika.
Rowek w kształcie litery V zapewnia bezpieczeństwo magnesów trwałych przy dużych prędkościach, ale tworzy moment reluktancyjny pomiędzy magnesami.Magnesy są albo przyciągane, albo odpychane przez inne magnesy, ale zwykła niechęć przyciąga płaty żelaznego wirnika do wirującego pola magnetycznego.
Magnesy trwałe zaczynają działać przy niskich prędkościach, natomiast moment reluktancyjny przejmuje przy dużych prędkościach.W tej konstrukcji zastosowano Prius.
Ostatni typ silnika wzbudzonego prądowo pojawił się dopiero niedawno w pojazdach elektrycznych.Oba powyższe są silnikami bezszczotkowymi.Konwencjonalny pogląd głosi, że silniki bezszczotkowe są jedyną realną opcją dla pojazdów elektrycznych.Niedawno BMW postąpiło wbrew normom i zainstalowało szczotkowane silniki synchroniczne prądu przemiennego wzbudzane prądem przemiennym w nowych modelach i4 i iX.
Wirnik tego typu silnika oddziałuje z wirującym polem magnetycznym stojana, dokładnie tak jak wirnik z magnesami trwałymi, ale zamiast magnesów trwałych wykorzystuje sześć szerokich miedzianych listków, które wykorzystują energię z akumulatora prądu stałego do wytworzenia niezbędnego pola elektromagnetycznego .
Wymaga to zamontowania na wale wirnika pierścieni ślizgowych i szczotek sprężystych, dlatego niektórzy obawiając się, że szczotki będą się zużywać i gromadzić kurz, rezygnują z tej metody.Chociaż zestaw szczotek jest zamknięty w osobnej obudowie ze zdejmowaną pokrywą, okaże się, czy zużycie szczotek stanowi problem.
Brak magnesów trwałych pozwala uniknąć rosnących kosztów metali ziem rzadkich i wpływu górnictwa na środowisko.Rozwiązanie to umożliwia również zmianę natężenia pola magnetycznego wirnika, umożliwiając w ten sposób dalszą optymalizację.Mimo to zasilanie wirnika nadal zużywa pewną ilość energii, co sprawia, że silniki te są mniej wydajne, szczególnie przy niskich prędkościach, gdzie energia wymagana do wytworzenia pola magnetycznego stanowi większą część całkowitego zużycia.
W krótkiej historii pojazdów elektrycznych silniki synchroniczne prądu przemiennego wzbudzone prądem przemiennym są stosunkowo nowe i wciąż jest wiele miejsca na rozwój nowych pomysłów, a także miały miejsce główne punkty zwrotne, takie jak przejście Tesli od koncepcji silników indukcyjnych do rozwiązań trwałych silnik synchroniczny z magnesami.Minęło niespełna dziesięć lat od ery nowoczesnych pojazdów elektrycznych, a dopiero zaczynamy.
Czas publikacji: 21 stycznia 2023 r