История создания электродвигателя

Первые эксперименты с электромагнитными устройствами

Электромеханика является относительно молодой, по историческим меркам, отраслью науки и техники.

1800, Вольта

Итальянский физик, химик и физиолог, Алессандро Вольта, первый в мире создал химический источник тока.

1820, Эрстед

Датский ученый, физик, Ханс Кристиан Эрстед, обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку.

1821, Фарадей

Первый электродвигатель Фарадея, 1821 г.

Британский физик-экспериментатор и химик, Майкл Фарадей, опубликовал трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где описал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. Эта конструкция впервые реализовала непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Принято считать ее первым электродвигателем в истории.

1822, Ампер

Французский физик, Андре Мари Ампер, открыл магнитный эффект соленоида (катушки с током), откуда следовала идея эквивалентности соленоида постоянному магниту. Среди прочего Ампер предложил использовать железный сердечник, помещенный внутрь соленоида, для усиления магнитного поля. В 1820 году им был открыт закон Ампера.

1822, Барлоу

Английский физик и математик, Питер Барлоу, изобрел колесо Барлоу, по сути, униполярный электродвигатель.

1825, Араго

Французский физик и астроном, Доминик Франсуа Жан Араго, опубликовал опыт показывающий, что вращающийся медный диск заставляет вращаться магнитную стрелку, подвешенную над ним.

1825, Стёрджен

Британский физик, электротехник и изобретатель, Уильям Стёрджен, в 1825 изготовил первый электромагнит, который представлял из себя согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки.

Вращающееся устройство Йедлика, 1827/28 гг.

1827, Йедлик

Венгерский физик и электротехник, Аньош Иштван Йедлик, изобрел первую в мире динамо-машину (генератор постоянного тока), однако практически не объявлял о своем изобретении до конца 1850-х годов.

1831, Фарадей

Английский физик, Майкл Фарадей, открыл электромагнитную индукцию, то есть явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Формулировка закона электромагнитной индукции.

1831, Генри

Американский физик, Джозеф Генри, независимо от Фарадея обнаружил взаимоиндукцию, но Фарадей раньше опубликовал свои результаты.

1832, Пикси

Генератор постоянного тока Пикси

Француз, Ипполит Пикси, сконструировал первый генератор переменного тока. Устройство состояло из двух катушек индуктивности с железным сердечником напротив которых располагался вращающийся магнит подковообразной формы, который приводился в движение вращением рычага. Позже для получения постоянного пульсирующего тока к этому устройству был добавлен коммутатор.

Электродвигатель Стёрджена
Strurgejn’s Annals of Electricity, 1836/37, vol. 1

1833, Стёрджен

Британский физик, Уильям Стёрджен, публично продемонстрировал электродвигатель на постоянном токе в Марте 1833 года в Аделаидской галерее практической науки в Лондоне. Данное изобретение считается первым электродвигателем, который можно было использовать.

1833, Ленц

В начале в электромеханике разграничивали магнито-электрические машины (электрические генераторы) и электро-магнитные машины (электрические двигатели). Российский физик (немецкого происхождения), Эмилий Христианович Ленц, опубликовал статью о законе взаимности магнито-электрических явлений, то есть о взаимозаменяемости электрического двигателя и генератора.

Первые реальные электрические двигатели

Май 1834, Якоби

Первый вращающийся электродвигатель. Якоби, 1834

Немецкий и русский физик, академик Императорской Санкт-Петербургской Академии Наук, Борис Семенович (Мориц Герман фон) Якоби, изобрел первый в мире электродвигатель с непосредственным вращением рабочего вала. Мощность двигателя составляла около 15 Вт, частота вращения ротора 80-120 оборотов в минуту. До этого изобретения существовали только устройства с возвратно-поступательным или качательным движением якоря.

1836 — 1837, Дэвенпорт

Проводя эксперименты с магнитами, американский кузнец и изобретатель, Томас Дэвенпорт, создает свой первый электромотор в июле 1834 года. В декабре этого же года он впервые продемонстрировал свое изобретение. В 1837 году Дэвенпорт получил первый патент (патент США №132) на электрическую машину.

1839, Якоби

Используя электродвигатель питающийся от 69 гальванических элементов Грове и развивающий 1 лошадиную силу, в 1839 г. Якоби построил лодку способную двигаться с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое практическое применение электродвигателя.

1837 — 1842, Дэвидсон

Шотландский изобретатель, Роберт Дэвидсон, занимался разработкой электродвигателя с 1837 года. Он сделал несколько приводов для токарного станка и моделей транспортного средства. Дэвидсон изобрел первый электрический локомотив.

1856, Сименс

Немецкий инженер, изобретатель, ученый, промышленник, основатель фирмы Siemens, Вернер фон Сименс изобрел электрический генератор с двойным T-образным якорем. Он первый разместил обмотки в пазах.

1861-1864, Максвелл

Британский физик, математик и механик, Джеймс Клерк Максвелл, обобщил знания об электромагнетизме в четырех фундаментальных уравнениях. Вместе с выражением для силы Лоренца уравнения Максвелла образуют полную систему уравнений классической электродинамики.

1871-1873, Грамм

Бельгийский изобретатель, Зеноб Теофил Грамм, устранил недостаток электрических машин с двух-Т-образным якорем Сименса, который заключался в сильных пульсациях вырабатываемого тока и быстром перегреве. Грамм предложил конструкцию генератора с самовозбуждением, который имел кольцевой якорь.

1885, Феррарис

Итальянский физик и инженер, Галилео Феррарис, изобрел первый двухфазный асинхронный электродвигатель. Однако Феррарис думал, что такой двигатель не сможет иметь КПД выше 50%, поэтому он потерял интерес и не продолжал улучшать асинхронный электродвигатель. Считается, что Феррарис первым объяснил явление вращающегося магнитного поля.

1887, Тесла

Американец сербского происхождения, изобретатель, Никола Тесла, работая независимо от Феррариса, изобрел и запатентовал двухфазный асинхронный электродвигатель с явно выраженными полюсами статора (сосредоточенными обмотками). Тесла ошибачно считал что двухфазная система токов оптимальна с экономической точки зрения среди всех многофазных систем.

1889-1891, Доливо-Добровольский

Русский электротехник польского происхождения, Михаил Осипович Доливо-Добровольский, прочитав доклад Феррариса о вращающемся магнитном поле изобрел ротор в виде «беличьей клетки». Дальнейшая работа в этом направлении привела к разработке трехфазной системы переменных токов и трехфазного асинхронного электродвигателя, получившего широкое применение в промышленности и практически не изменившегося до нашего времени.

Широкое внедрение электромеханических устройств в России начинается после Октябрьской революции 1917 г., когда электрификация всей страны стала основой технической политики нового государства. Можно сказать, что XX век стал веком становления и широкого распространения электромеханики.

Выбор между двухфазной и трехфазной системой

Доливо-Добровольский справедливо считал, что увеличение числа фаз в двигателе улучшает распределение намагничивающей силы по окружности статора. Переход к трехфазной системы от двухфазной уже дает большой выигрыш в этом отношении. Дальнейшее увеличение числа фаз нецелесообразно, так как приводит к значительному увеличению расходов металла на провода.

Для Теслы же казалось очевидным, что чем меньше число фаз, тем меньше требуется проводов, и следовательно тем дешевле устройство электропередачи. При этом двухфазная система передачи требовала применения четырех проводов, что представлялось не желательным в сравнении с двух проводными системами постоянного или однофазного переменного токов. Поэтому Тесла предлагал применять трех проводную линию для двухфазной системы, делая один провод общим. Но это не сильно уменьшало количество затрачиваемого на систему металла, так как общий провод должен был быть большего сечения.

Таким образом трехфазная система токов предложенная Доливо-Добровольским была оптимальной для передачи энергии. Она практически сразу нашла широкое применение в промышленности и до наших дней является основной системой передачи электрической энергии во всем мире.

В Германии создали автомобильный электродвигатель без постоянных магнитов — дешевле, экономичнее и эффективнее

Все, что нужно знать о двигателе электромобиля

Мощность электродвигателя: как это работает?

Как работает двигатель электромобиля? В электромобиле, когда водитель нажимает педаль акселератора, аккумулятор автомобиля подает электричество на статор, заставляя ротор вращаться, а затем обеспечивает механическую энергию для вращения шестерен автомобиля. Когда шестерни вращаются, колеса тоже вращаются. Все это происходит в мгновение ока и без сжигания ископаемого топлива!

Какой тип двигателя используется в электромобилях?

Какие бывают двигатели электромобилей и как они работают?

Электродвигатели автомобилей: переменного или постоянного тока?

Переменный ток (AC) и постоянный ток (DC) являются двумя различными типами электрического потока . Как следует из их названий, постоянный ток — это когда электрический заряд течет только в одном направлении, в то время как переменный ток периодически меняет направление.

Электродвигатели с питанием от постоянного тока можно найти в электромобилях, но только в виде небольших мини-двигателей, используемых, например, для стеклоочистителей и электростеклоподъемников, но не для привода самого автомобиля. Для тяги электромобиля используется двигатель переменного тока.

Типы электродвигателей: асинхронный и синхронный

Существует два типа электродвигателей переменного тока, используемых для создания тяги электромобиля: асинхронный (асинхронный) и синхронный.

В асинхронном, или асинхронном, двигателе ротор втягивается во вращение, постоянно пытаясь «догнать» вращающееся магнитное поле, создаваемое статором. Этот тип двигателя электромобиля известен своей высокой выходной мощностью и является распространенным двигателем в транспортных средствах.

С другой стороны, в синхронном двигателе ротор вращается с той же скоростью, что и магнитное поле. Это обеспечивает высокий крутящий момент на низкой скорости, что делает его идеальным для езды по городу. Еще одним преимуществом является его размер: синхронный электродвигатель автомобиля может быть компактным и легким.

Как питается электродвигатель?

Прежде чем ваш асинхронный или синхронный электродвигатель автомобиля сможет вращаться, необходимое ему электричество должно пройти несколько этапов, прежде чем оно достигнет конечного пункта назначения в виде тяги.

Где еще можно найти переменный и постоянный ток в электромобиле?

Не путайте автомобильный электродвигатель переменного тока с электродвигателем; который может использовать переменный или постоянный ток в зависимости от того, подключаетесь ли вы напрямую к сети или используете зарядную станцию ​​определенного типа. В то время как двигатель вашего электромобиля использует переменный ток, батарея должна получать электричество от постоянного тока. Поэтому требуется преобразование альтернативного тока в постоянный либо на борту, либо вне транспортного средства.

Питание от сети всегда переменного тока. Затем он проходит через бортовое зарядное устройство вашего электромобиля (представьте, что это преобразователь переменного тока в постоянный), который затем подает питание на аккумулятор. Но станции быстрой зарядки, которые вы можете найти на шоссе, парковках и на городских улицах, сами выполняют процесс преобразования переменного тока в постоянный ток , а это означает, что энергия для аккумулятора поступает прямо в автомобиль в виде постоянного тока. Они быстрее, чем электрические розетки переменного тока, но занимают гораздо больше места.

Как автомобиль затем превращает постоянный ток в переменный для своего двигателя? Использование инвертора, устройство в трансмиссии…

Трансмиссия внутри электромобиля

В электромобиле электродвигатель является лишь частью более крупного узла, называемого трансмиссией. Здесь мы также находим Power Electronic Controller (PEC) , отвечающий за электронику, которая управляет питанием двигателя и зарядкой аккумулятора, а также редукторный двигатель, который регулирует крутящий момент (силу вращения) и скорость вращения.

Изготовление различных элементов двигателя электромобиля требует настоящих знаний. Руководитель Renault Татьяна Сьюер объясняет: «Например, чтобы построить статор, нам нужно было найти способ намотать 2 километра медной проволоки в маленькие вырезы в листовом металле, не повредив покрывающую их изоляционную керамику».

Эффективность трансмиссии постоянно повышается, как мы видели в Renault с техническими инновациями в трансмиссии ZOE, что приводит к улучшению всесторонних характеристик автомобиля и внедрению большего количества функций.

Ожидаемый срок службы двигателя электромобиля

Ожидаемый срок службы двигателя электромобиля зависит от стольких переменных, что его трудно оценить. Было высказано предположение, что в идеальных условиях оптимальная продолжительность жизни составляет 15-20 лет. По сравнению с двигателем внутреннего сгорания, двигатель электромобиля имеет меньше деталей, что означает меньшее и более простое обслуживание.

Какова мощность электромобиля?

Когда речь идет об электромобиле, выходная мощность представляет собой разницу между подаваемым электричеством (входная мощность) и «полезной» механической энергией, которая приводит в движение двигатель (выходная мощность), коэффициент, известный как эффективность преобразования энергии. Тепло и трение могут привести к тому, что часть этой мощности будет потеряна по пути, а это означает, что двигатель не получает выгоду от всего электричества, поступающего от аккумулятора электромобиля.

Выходная мощность электромобиля зависит от объема его двигателя и мощности входящего тока. Например, ZOE развивает мощность 100 кВт при улучшенном крутящем моменте 245 Нм. Благодаря запасу хода по WLTP* в 395 километров благодаря аккумулятору емкостью 52 кВт·ч новый ZOE демонстрирует особенно высокие показатели энергоэффективности.

Какой тип двигателя используется в гибридных электромобилях?

Гибридный электромобиль использует как двигатель внутреннего сгорания, так и двигатель переменного тока, работающий от аккумулятора. Традиционно аккумуляторы гибридных автомобилей можно было заряжать только через 9 часов.0015 рекуперативное торможение или замедление, что означает, что большая часть работы выполнялась двигателем внутреннего сгорания.

Однако сегодня доступна гибридная модель нового поколения: Plug-in Hybrid Electric. Эти автомобили, такие как Renault Captur E-TECH Plug-in, оснащены специальной зарядной розеткой, двумя электродвигателями и двигателем внутреннего сгорания, объединяющими лучшее из обоих миров.

*WLTP: Согласованная во всем мире процедура испытаний легковых автомобилей. Стандартный цикл WLTP соответствует 57 % городских поездок, 25 % пригородных поездок и 18 % поездок по автомагистралям.

Авторские права: Jean-Christophe MOUNOURY, Pagecran

Читайте также

Электрическая мобильность

Различные методы хранения энергии

10 июня 2021

Посмотреть больше

Электромобили

Все, что нужно знать о вилке гибридный автомобиль

10 июня 2021 г.

Подробнее

Электромобили

Все, что нужно знать о зарядке подключаемого гибридного автомобиля

09 июня 2021 г.

Подробнее

Различные типы электродвигателей, используемых в электромобилях

Если вы заинтересованы в глубоком погружении в технологию двигателей внутреннего сгорания, вы должны быть готовы к тому, что вас обстреляет множество различных концепций. Безнаддувные двигатели, двигатели с турбонаддувом, непосредственный впрыск, непрямой впрыск или как прямой, так и непрямой впрыск! Бензин, дизель, СПГ, СНГ, цикл Аткинсона, цикл Миллера, цикл Будэка, цикл Дизеля и Отто (см. двигатель Mazda Skyactiv-X), турбо с фиксированной геометрией, турбо с изменяемой геометрией, турбо с двойной прокруткой, регулируемая синхронизация распределительного вала… список продолжается. на.

Почти автоматически возникает вопрос: почему у нас так много конструкций и концепций двигателей внутреннего сгорания? Ответ прост — потому что ни один из них не является достаточно хорошим с точки зрения эффективности. В поисках повышения эффективности инженеры внедряли множество конструкций на протяжении всей истории автомобилестроения. Актуально ли это разнообразие конструкций и для электродвигателей? Сколько типов двигателей используется в электромобилях? Ответ только 3 основных. Познакомимся с ними.

Асинхронный асинхронный двигатель — Краткий урок истории

Асинхронный асинхронный двигатель не является чем-то новым. Он был изобретен двумя независимыми исследователями — единственным и неповторимым Николой Теслой и Галилео Феррарисом. Несмотря на то, что итальянский изобретатель впервые разработал этот двигатель в 1885 году, Никола Тесла первым подал заявку на патент в 1888 году.

Изобретение асинхронного двигателя, без сомнения, является одним из величайших достижений в использовании электричества для обеспечения нашей жизни. Внедрение этого типа двигателя настолько широко распространено в наши дни, что без него очень трудно представить повседневную жизнь. Эти двигатели используются во многих электрических устройствах, и подавляющее большинство промышленных двигателей относятся к асинхронному асинхронному типу.

Исторический патент Николы Теслы на асинхронный двигатель

Как работает асинхронный асинхронный двигатель?

Все электродвигатели состоят из двух основных частей. Статическая часть называется статором, а вращающаяся часть называется ротором. Начнем со статора — обычно это стальной цилиндр с прорезями и медными катушками, сплетенными с определенной геометрией. Эти катушки питаются трехфазным переменным током, который был преобразован из постоянного тока (обеспечиваемого аккумулятором) в силовой электронике. Этот ток создает вращающееся магнитное поле в статоре, и скорость этого вращающегося магнитного поля называется синхронной скоростью.

По сути, вот как работает этот тип двигателя: переменное напряжение подается на медные катушки (или обмотки), и в результате мы получаем вращающееся магнитное поле, это поле индуцирует напряжение в роторе, которое, в свою очередь, вызывает протекание тока. . Этот поток тока создает собственное вращающееся магнитное поле в роторе, которое отстает от магнитного поля статора. Сила между двумя магнитными полями, которые приводят в движение ротор, называется силой Лоренца. Затем движение ротора передается на колеса автомобиля через соответствующий редуктор.

Этот двигатель называется асинхронным, потому что вращающееся магнитное поле ротора и статора не синхронизированы. Индукционная часть возникает из-за вращающегося магнитного поля, напряжения и тока, индуцируемых статором. Когда мы нажимаем на педаль акселератора, магнитное поле ротора немного отстает от поля статора. Когда мы замедляемся и двигатель работает как генератор (рекуперативное торможение), то вращающееся магнитное поле ротора опережает статор. Эта разница во вращающихся магнитных полях называется «скольжением» и обычно составляет до 5 % в зависимости от конструкции двигателя.

Типовой КПД трехфазного асинхронного двигателя, используемого в автомобильной промышленности, составляет около 90 %. Благодаря своей надежности, простоте, долговечности и отсутствию требований к экзотическим материалам этот двигатель используется почти исключительно в промышленных процессах. Кроме того, его хорошие характеристики перегрузки делают его идеальным двигателем по требованию, поэтому его часто используют в качестве переднего двигателя в электромобилях с полным приводом.

Плюсы

• Хорошая эффективность
• Дешево сделать
• Нет необходимости в редкоземельных материалах
• Почти идеальная надежность

Минусы

• Большие потребности в охлаждении
• Меньшая удельная мощность
• Более низкий КПД по сравнению с другими двигателями

Некоторые автомобили, использующие асинхронные двигатели: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, X и Y на передних осях, а автомобили VW Group MEB также используют их на передних осях.

Асинхронный двигатель, используемый в Mercedes-Benz EQC.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами. . В синхронных двигателях с постоянными магнитами в роторе имеется собственное вращающееся магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами (отсюда и название двигателя).

Вращающиеся магнитные поля ротора и статора в этих двигателях заблокированы, и скольжение отсутствует.

Постоянные магниты в роторе являются одним из ключевых элементов, повышающих удельную мощность и повышающих эффективность двигателя. Повышенная удельная мощность означает высокую мощность при малом объеме, поэтому двигатели с постоянными магнитами используются исключительно в PHEV. Электродвигатель в этих транспортных средствах размещен в коробке передач, и существуют ограничения по пространству.

Постоянные магниты изготавливаются из редкоземельных материалов, большинство из которых контролируется Китаем. Есть вопросы об этических аспектах процесса добычи, и по этой причине многие производители стараются сократить использование этих материалов в своих двигателях. Тем не менее, синхронный двигатель с постоянными магнитами является королем КПД — он может достигать до 94-95% и когда в машине только один мотор, то используется именно этот тип мотора.

Плюсы

• Очень высокая эффективность
• Нижнее охлаждение требуется
• Высокая удельная мощность

Минусы

• Стоимость производства
• Потребность в редкоземельных материалах
• Теоретическая опасность размагничивания

Hyundai Ioniq 5 Двигатели с постоянными магнитами

Двигатели с постоянными магнитами используются в Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X и Y на задних осях. Автомобили VW Group MEB также используют их на задних мостах, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT и Porsche Taycan, и это лишь некоторые из них.

Синхронный двигатель с электрическим возбуждением

Синхронные двигатели с постоянными магнитами обеспечивают наилучший КПД из всех, но для их конструкции требуются редкоземельные материалы. Для решения этих проблем некоторые производители, а именно BMW, Renault Groupe и Smart в настоящее время, используют гибридную конструкцию двигателя — они используют синхронные двигатели, для которых не требуются редкоземельные материалы.

Итак, как работают эти моторы? Что ж, вместо использования постоянных магнитов в роторе для создания тока в этих двигателях используются щетки и контактные кольца. По данным BMW, этот тип двигателя обеспечивает КПД до 93%, что очень близко к эффективности двигателей с постоянными магнитами. Несмотря на то, что этот тип двигателя кажется очень многообещающим, тот факт, что в нем используются щетки, означает, что в какой-то момент потребуется замена этих компонентов.