Дизайн автора представляет новое слово в разработке электромоторов
В первое десятилетие XX века 38% всех машин в США работали на электричестве – и этот процент упал почти до нуля с ростом доминирования ДВС в 1920-х. Сегодняшнее стремление к сохранению энергии и уменьшению вредных выбросов вдохнуло в электромобили новую жизнь, но их высокая стоимость и ограниченный пробег сдерживают продажи.
Большая часть попыток решения этих проблем связана с улучшением батареек. Конечно же, улучшение систем хранения электроэнергии, будь то батарейки или топливные ячейки, должно оставаться частью любой стратегии улучшения электромобилей, но потенциал для улучшения есть и в другом фундаментальном компоненте машин: в моторе. Последние четыре года мы работали над новой концепцией тягового электродвигателя, используемого в электромобилях и грузовиках. Наша последняя разработка сильно улучшает эффективность по сравнению с обычными моделями – достаточно для того, чтобы сделать электромобили более практичными и доступными.
В прошлом году мы доказали работоспособность нашего мотора во всесторонних лабораторных тестах, и хотя до размещения его в автомобиле ещё далеко, у нас есть все основания полагать, что там он покажет себя так же хорошо. Наш мотор сможет увеличить пробег современных электромобилей, даже если мы не достигнем никакого прогресса в технологии батарей.
Чтобы понять сложность нашей задачи, необходимо вспомнить основы схемы электромотора (ЭМ). По сравнению с ДВС ЭМ проще, у них всего несколько критичных компонентов. Механика требует наличия корпуса. Он называется статором, поскольку не двигается. Необходим ротор, вращающий вал и создающий вращающий момент. Чтобы мотор работал, статор и ротор должны взаимодействовать при помощи магнетизма, превращая электрическую энергию в механическую.
Концепции моторов отличаются именно в области магнитных интерфейсов. В коллекторных моторах постоянного тока ток течёт через щётки, скользящие по коллекторному узлу. Ток идёт через коллектор и передаёт энергию намотке на роторе. На��отка отталкивается постоянными магнитами или электромагнитами статора. Щётки, скользя по коллектору, периодически меняют направление тока, и магниты ротора и статора отталкивают друг друга снова и снова, в результате чего ротор вращается. Иначе говоря, вращательное движение обеспечивается изменяющимся магнитным полем, производимым коллектором, соединяющим катушки с источником тока и циклически меняющим направление тока при поворотах ротора. Однако эта технология ограничивает вращающий момент и страдает от изнашивания; она уже не используется в тяговых ЭМ.
В современных электромобилях используется переменный ток от инвертера. Здесь динамическое вращающееся магнитное поле создаётся в статоре, а не в роторе. Это позволяет упростить схему ротора, который обычно более сложен, чем статор, что облегчает все задачи, связанные с разработкой ЭМ.
Моторов на переменном токе бывает два вида: асинхронные и синхронные. Мы сфокусируемся на синхронных, поскольку обычно они лучше и эффективнее работают.
Передовая система охлаждения проводит жидкость непосредственно через катушку (слева), а не через кожух мотора (справа)
Синхронные моторы тоже бывают двух видов. Более популярный – синхронная машина с постоянными магнитами [permanent-magnet synchronous machine, PMSM], использующая постоянные магниты, встроенные в ротор. Чтобы заставить его вращаться, в статоре организуется вращающееся магнитное поле. Это поле получается благодаря обмотке статора, соединённой с источником переменного тока. Во время работы полюса постоянных магнитов ротора захватываются вращающимся магнитным полем статора, что и заставляет ротор вращаться.
Такая схема, использующаяся в Chevrolet Volt и Bolt, в BMW i3, в Nissan Leaf и множестве других машин, может в пике достигать эффективности в 97%. Постоянные магниты обычно делают из редкоземельных элементов; яркие примеры – очень мощные неодимовые магниты, разработанные в 1982 году General Motors и Sumitomo.
Явнополюсные синхронные электродвигатели [Salient-pole synchronous machines, SPSM)] используют внутри ротора не постоянные, а электромагниты. Полюсы – это катушки в виде труб, направленные наружу, как спицы колеса. Эти электромагниты в роторе питаются источником постоянного тока, соединённым с ними через контактные кольца. Контактные кольца, в отличие от коллектора, не меняют направление тока. Северный и южный полюса ротора статичны, и щётки не изнашиваются так быстро. Как и в случае с PMSM, вращение ротора происходит из-за вращения магнитного поля статора.
Из-за необходимости питать электромагниты ротора через контактные кольца, у этих моторов обычно чуть ниже пиковая эффективность – в диапазоне от 94 до 96%. Преимущество над PMSM заключается в настраиваемости поля ротора, позволяющая ротору более эффективно вырабатывать крутящий момент на больших скоростях. Итоговая эффективность при использовании для разгона машины возрастает. Единственный производитель таких моторов в серийных авто – это Renault с его моделями Zoe, Fluence и Kangoo.
Электромобили необходимо строить с не только эффективными, но и лёгкими компонентами. Самый очевидный способ улучшить соотношение мощности к весу – уменьшить размер мотора. Однако такая машина выдаст меньший крутящий момент для одной и той же скорости вращения. Следовательно, чтобы получить больше энергии необходимо вращать мотор на более высоких скоростях. Сегодняшние электромобили работают на 12000 об/мин; в следующем поколении появятся моторы, работающие при 20000 об/мин; уже идут работы над моторами, работающие на скорости 30000 об/мин. Проблема в том, что чем выше скорость, тем сложнее получается редуктор – скорость вращения мотора слишком сильно превышает скорость вращения колёс. Из сложности редуктора следуют большие энергопотери.
Идеальный шторм: в авторском варианте (вверху) сила Лоренца и смещённая индуктивность (серый) суммируются в максимальное общее усилие (синее) равное 2. В обычном моторе (внизу) сумма двух сил – силы Лоренца и магнитное сопротивление (серый) дают общее усилие (синий), достигающее пика лишь в 1,76, при угле выбега ротора в 0,94 рад. Разница в этом примере составляет 14%
Второй подход к улучшению соотношения мощности к весу – увеличение силы магнитного поля, что увеличивает крутящий момент. В этом состоит смысл добавления железного сердечника к катушке – хотя это увеличивает вес, но одновременно усиливает плотность магнитного потока на два порядка. Следовательно, практически все современные ЭМ используют железные сердечники в статоре и роторе.
Однако, есть и минус. Когда сила поля увеличивается до определённого предела, железо теряет возможность усиления плотности потока. На это насыщение можно немного повлиять, добавляя присадки и изменяя процесс изготовления железа, но и самые эффективные материалы ограничены 1,5 В*с/м2 (вольт в секунду на квадратный метр, или тесла, Тл). Только очень дорогие и редкие вакуумные железно-кобальтовые материалы могут достигать плотностей магнитного потока 2 Тл или более.
И, наконец, третий стандартный путь увеличения крутящего момента – усиление поля через усиление тока, проходящего через катушки. Опять-таки, тут есть свои ограничения. Увеличьте ток, и увеличатся потери на сопротивление, уменьшится эффективность и появится тепло, способное повредить мотор. Для проводов можно использовать металл, лучше проводящий ток, чем медь. Серебряные провода также бывают, но их применение в таком устройстве было бы абсурдно затратным.
Единственный практический способ увеличить ток – контролировать тепло. Передовые охлаждающие решения проводят жидкость прямо рядом с катушками, а не дальше от них, снаружи статора.
Все эти шаги помогают улучшать соотношение веса к мощности. В гоночных электромобилях, где стоимость не имеет значения, моторы могут достигать 0,15 кг на киловатт, что сравнимо с лучшими ДВС из Формулы 1.
Мы со студентами разрабатывали и создавали такие высокопроизводительные электромоторы для автомобиля, участвовавшего в студенческой Формуле три года назад. Мы создавали моторы в нашей лаборатории в Электротехническом институте Технологического института Карлсруэ. Каждый год команда создавала новую машину с улучшенным мотором, редуктором и силовой электроникой. В машине четыре мотора, по одному на колесо. Каждый имеет всего 8 см в диаметре, 12 см в длину и 4,1 кг веса, и производит 30 кВт на постоянной основе и 50 кВт в пике. В 2016 году наша команда выиграла чемпионат мира.
Так что это и правда можно сделать, если стоимость вас не волнует. Главный вопрос – можно ли использовать такие улучшающие эффективность технологии в массовом производстве, в машине, которую могли бы купить вы? Мы создали такой мотор, так что ответ на вопрос – положительный.
Мы начали с простой идеи. Электромоторы хорошо работают как в роли моторов, так и в роли генераторов, хотя для электромобилей такая симметрия не особенно нужна. Для автомобиля нужен мотор, работающий лучше в роли мотора, чем в роли генератора – последняя используется только для заряда батарей при рекуперативном торможении.
Чтобы понять эту идею, рассмотрим работу мотора PMSM. В таком моторе движение создают две силы. Во-первых, сила, возникающая благодаря постоянным магнитам в роторе. Когда ток идёт через медные катушки статора, они создают магнитное поле. Со временем ток переходит из одной катушки в другую и заставляет магнитное поле вращаться. Вращающееся поле статора притягивает постоянные магниты ротора, и тот начинает двигаться. Этот принцип основан на силе Лоренца, влияющей на движение заряженной частицы в магнитном поле.
Но современные ЭМ получают часть энергии от магнитного сопротивления – силы, притягивающей блок железа к магниту. Вращающееся поле статора притягивает как постоянные магниты, так и железо ротора. Сила Лоренца и магнитное сопротивление работают бок о бок, и – в зависимости от схемы мотора – примерно равны друг другу. Обе силы примерно равны нулю, когда магнитные поля ротора и статора выравниваются. С увеличением угла между ними мотор вырабатывает механическую энергию.
В синхронном моторе поля статора и ротора работают совместно, без задержек, существующих в асинхронных машинах. Поле статора находится под определённым углом к полю ротора, который можно регулировать во время работы для достижения наибольшей эффективности. Оптимальный угол для создания вращательного момента при заданном токе можно вычисля��ь заранее. Затем он подстраивается, по мере изменения тока, к силовой электронной системе, дающей переменный ток на намотку статора.
Но вот, в чём проблема: при движении поля статора по отношению к положению ротора сила Лоренца и магнитное сопротивление то увеличиваются, то уменьшаются. Сила Лоренца увеличивается по синусоиде, достигающей пика на 90 градусов от точки отсчёта (от точки, в которой поля статора и ротора выровнены). Сила манитного сопротивления циклично меняется в два раза быстрее, поэтому достигает пика на 45 градусах.
Поскольку силы достигают максимума в разных точках, максимальная сила мотора меньше, чем сумма его частей. Допустим, у какого-то определённого мотора в определённый момент работы оказывается, что оптимальным углом для максимума суммарной силы будет 54 градуса. В этом случае этот пик будет на 14% меньше, чем суммарные пики двух сил. Это наилучший из возможных компромиссов данной схемы.
Если бы мы могли переделать этот мотор так, чтобы две силы достигали максимума в одной точке цикла, мощность мотора возросла бы на 14% совершенно бесплатно. Вы бы потеряли только эффективность работы в роли генератора. Но мы, как будет показано далее, нашли способ восстановить и эту способность, чтобы мотор лучше восстанавливал энергию при торможении.
Разработка идеально выравнивающего поля мотора – дело непростое. Проблема состоит в комбинации PMSM и SPSM в новую гибридную схему. В результате получается гибридный синхронный мотор со смещённой осью магнитного сопротивления. По сути, этот мотор использует как провода, так и постоянные магниты, для создания магнитного поля в роторе.
Другие пытались работать в этом направлении, а затем отбросили эту идею – но они хотели использовать постоянные магниты только для усиления электромагнитного поля. Наша инновация состоит в использовании магнитов только для придания точной формы полю, чтобы оптимально выровнять две силы – силу Лоренца и силу магнитного сопротивления.
Основная проблема в разработке состояла в поиске такой конструкции ротора, которая могла бы менять форму поля, оставаясь при этом достаточно прочной для того, чтобы вращаться на высоких скоростях, не ломаясь при этом. В центре нашей схемы – многослойная структура ротора, несущего медную намотку на железном сердечнике. Мы приклеили постоянные магниты к полюсам сердечника; дополнительные шипы препятствуют их вылету. Чтобы всё удерживалось на месте, мы применили крепкие и лёгкие титановые штифты, пропущенные через электромагнитные полюса ротора, притянутые гайками к кольцам из нержавеющей стали.
Мы также нашли способ обойти недостаток первоначального мотора, уменьшение крутящего момента во время работы генератором. Теперь мы можем менять направление поля в роторе так, что генерация во время рекуперативного торможения работает так же эффективно, как режим мотора.
Этого мы добились, меняя направление тока в намотке ротора во время работы в режиме генератора. Работает это следующим образом. Представьте себе первоначальный вид ротора. Если идти по его периметру, вы обнаружите определённую последовательность северных и южных полюсов электромагнитных (Е) и постоянных магнитных (P) источников: NE, NP, SE, SP. Эта последовательность повторяется столько раз, сколько в моторе пар полюсов. Меняя направление тока в обмотке, мы меняем ориентацию электромагнитных полюсов, и только их, в результате последовательность превращается в SE, NP, NE, SP.
Изучив две этих последовательности, вы увидите, что вторая похожа на первую, идущую задом наперёд. Это значит, что ротор можно использовать в режиме мотора (первая последовательность) или в режиме генератора (вторая), когда ток в роторе меняет направление на противоположное. Таким образом наша машина работает более эффективно, чем обычные моторы, как в роли мотора, так и в роли генератора. На нашем прототипе изменение направления тока занимает не более 70 мс, что достаточно быстро для автомобилей.
В прошлом году мы построили прототип мотора на верстаке и подвергли его тщательным проверкам. Результаты ясны: при той же самой силовой электронике, параметрах статора и других ограничениях обычного мотора, машина способна выдавать почти на 6% больше крутящего момента и на 2% больше эффективности в пике. В цикле езды результаты ещё лучше: ей требуется на 4,4% меньше энергии. Это значит, что машина, проезжающая на одной зарядке 100 км, проехала бы с этим мотором 104,4 км. Дополнительные километры достаются нам почти задаром, поскольку в нашей схеме есть всего несколько дополнительных частей, заметно менее дорогих, чем дополнительные батарейки.
Мы связались с несколькими производителями оборудования, и они нашли нашу концепцию интересной, хотя пройдёт ещё много времени до того, как вы увидите один из таких асимметричных моторов в серийном автомобиле. Но появившись, в результате он станет новым стандартом, поскольку извлечение всей возможной пользы из имеющейся у вас энергии стоит в приоритете как для автопроизводителей, так и для всего нашего общества.
