Компактные, мощные и энергоэффективные: Синхронные электродвигатели с постоянным возбуждением сегодня являются стандартом в области электрификации автомобилей.
Синхронные электродвигатели с внешним возбуждением и асинхронные электродвигатели все больше отстают. Однако, в то же время граничные условия для электроприводов меняются. В частности, возвращается одна из концепций электродвигателя.
Обзор технологии, типов, преимуществ и недостатков электродвигателей.
Для привода электромобилей обычно используются следующие типы двигателей:
— Синхронный электродвигатель с постоянным возбуждением (PSM);
— Асинхронный электродвигатель (ASM);
— Синхронный электродвигатель с внешним током возбуждения (EESM) — часто называемый по-немецки stromerregte Synchronmaschinen (SSM);
— Гибридный синхронный электродвигатель (HSM).
Например, Porsche использует синхронный двигатель с постоянным возбуждением как на передней, так и на задней осях Taycan.

Новый Audi Q8 E-Tron оснащен электродвигателями на обеих осях, которые работают по принципу асинхронной машины.

А Renault Zoe приводится в движение синхронным двигателем с внешним, токовым возбуждением.

Существуют и другие топологии, такие как двигатели с осевым магнитным потоком или двигатели с редуктором и поперечным магнитным потоком, которые либо актуальны для нишевых применений, либо пока находятся на стадии концепции.
"В целом, различные типы электродвигателей имеют свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать в зависимости от требований и сценария применения", — объясняет профессор д-р Андреас Доктер, возглавляющий отдел разработок в Magna Powertrain — "Электродвигатели постоянно совершенствуются в конкурентной борьбе".
Сравнение PSM, ASM и EESM
Эти три типа электродвигателей, используемых в автомобильной промышленности, схожи по технической конструкции, но отличаются по своим свойствам.
В PSM (синхронном электродвигателе с постоянным возбуждением) магнитное поле ротора создается с помощью постоянных магнитов.
Благодаря этому данный вариант привода достигает очень высокого уровня эффективности даже в диапазоне частичной нагрузки. Тот факт, что PSM стали стандартом при электрификации автомобилей, объясняется высокой эффективностью этих электродвигателей в условиях городского движения или на средних расстояниях.
"Синхронные машины с постоянным возбуждением очень хорошо подходят для автомобильных приводов благодаря высокой удельной мощности, особенно высокому КПД (до 94%), простой механической и электрической конструкции (нет щеток, скользящих контактов, сложных обмоток) и электронной коммутации", — говорит Peter Hofmann автор книги "Преобразователи энергии для гибридных автомобилей".
Однако PSM требует специальных технологий для сборки ротора и статора, которые позволяют осилить огромные магнитные силы. Кроме того, PSM дороже асинхронного двигателя (ASM) — особенностью последнего является наличие короткозамкнутой обмотки в роторе. Здесь (в ASM) магнитное поле в роторе создается за счет электромагнитной индукции; постоянные магниты не требуются. Но КПД ASM ниже, чем у синхронных двигателей, они несколько тяжелее синхронных машин, но очень надежны. Преимущество асинхронных машин в том, что они просты и недороги в производстве. Однако они имеют плохой коэффициент мощности и низкий КПД. Еще одним недостатком является снижение кривой мощности на высоких скоростях.
Двигатели с внешним возбуждением (EESM) технически сложны, поскольку для приведения в движение ротора им требуется собственный источник энергии. Однако у них есть одно важное преимущество: их ротор не требует постоянных магнитов — вместо магнитов в роторе установлены катушки обмотки — и они обладают высокой эффективностью. Причиной этого является возможность регулировать ток ротора и, соответственно, его намагниченность. Однако точное управление током ротора повышает сложность всей системы. При этом преимущество заключается в том, что теперь электродвигатель может быть оптимизирован для более широкого спектра применений с более высоким КПД.
В EESM-двигателе магнитное поле создается в роторе, а также в статоре с помощью тока. В отличие от АSМ, магнитное поле в роторе создается не за счет индуцированного напряжения, а с помощью щеток. Через эти щетки в компонент подается постоянный ток. Статор питается переменным током через инвертор и, как и во всех других типах двигателей переменного тока, отвечает за вращающее поле.

Какой концепт электронного двигателя победит в технологической гонке?
Автопроизводители еще не определились с выбором того или иного типа. Некоторые группы полностью меняют концепцию привода с PSM на ASM, другие — с PSM на EESM. Некоторые также выбирают комбинацию технологий.
Однако наметилась следующая тенденция: безмагнитные электрические машины, такие как EESM или асинхронная машина, "менее чувствительны к ценам на сырье, более экологичны и являются хорошей альтернативой с широким спектром применения", — по мнению компании Mahle.
В долгосрочной перспективе, в частности, могут преобладать двигатели с раздельным / внешним возбуждением. Это связано с тем, что для PSM требуются дорогостоящие редкоземельные магнитные материалы, которые увеличивают выбросы CO2 в атмосферу, а ASM имеют низкий КПД.
EESM, напротив, используют медную катушку для генерации магнитного поля — металл, который доступен в достаточном количестве.
Как объясняют в Vitesco Technologies, синхронные машины с раздельным / внешним возбуждением демонстрируют свое преимущество на больших расстояниях при скоростном движении по шоссе. Они более эффективны, чем PSM, особенно на высоких скоростях.
Vitesco и Renault делают ставку на EESM
EESM будет играть важную роль для Vitesco в ближайшем будущем:
"Замена магнитов в роторе на управляемые электромагнитные поля открывает перед OEM-производителями потенциал в области снижения выбросов CO2, долгосрочной стабильности цен и глобальной безопасности поставок при схожих технических характеристиках", — говорит Гюнтер Мюльберг, руководитель отдела управления продуктами HV Drives компании Vitesco Technologies.
Оптимизация системы на уровне автомобиля имеет большой потенциал. В связи с этим Vitesco превратила свою полностью интегрированную платформу электроприводной оси EMR4 в синхронный электродвигатель с отдельным / внешним возбуждением. В этом новом варианте ротор PSM с постоянными магнитами заменяется новым ротором с электромагнитами — таким образом, двигатель EMR4 становится EESM. Считается, что двигатель с раздельным / внешним возбуждением экономит один Ватт*час электроэнергии на километр, поскольку отсутствует постоянное магнитное поле, замедляющее ротор.
Одним из примеров автопроизводителя, который в настоящее время работает над EESM, является Renault. Французский автопроизводитель совместно со своим партнером Valeo разрабатывает новый синхронный двигатель с внешним электрическим возбуждением. Электродвигатель E7A должен появиться на рынке в 2027 году.
Источник:
World Mobility News в Телеграм
World Mobility News в Дзен


Комментарии 24
"Считается, что двигатель с раздельным / внешним возбуждением экономит один Ватт*час электроэнергии на километр"
Довольно ничтожная экономия. Чтобы сэкономить хотя бы один киловатт придётся тысячу! км проехать. Такой "экономией" можно пренебречь. От давления в шинах и веса и размера колес и то расход в разы (а то и в десятки раз) больше зависит.
BMW в пятом поколении eDrive тоже использует EESM
Хорошая статья!
А какой электродвигатель синхронный стоит у NISSAN LEAF ll ZE1 2020 года?
Скорее всего, тот или иной тип ТЭДа выбиоается под уже имеющуюся стстему уаравлния. Без неё любой ТЭД, так простая болванка. Да и щётки это очень серьёзный недостаток. Наверное, лучшим будет вентильный ТЭД, проще и дешевле управление
Знаю, что у тесел не самые надежные эд, частенько меняют их…
Есть статистика в процентном соотношении и в сравнении с другими производителями?
Электродвигатели у Тесл, особенно более новых поколений, меняют на самом деле редко. Просто самих машин этой марки — гораздо больше, чем от других производителей, вот и создаётся впечатление, что меняют часто, особенно когда такие утверждения выдают ремонтники, имеющие дело исключительно с поломками (причём часто на машинах, восстановленных после аварий), и общей картины не наблюдающие.
немцу Хансйоргу фон Геммингену пришлось за 1 800 000 километров заменить мотор на Model S 13 раз.
У него — Model S первого поколения, причём самая первая заднеприводная Performance Model S с мощным мотором, у которого изначально были проблемы. Меняют ему мотор по гарантии каждый раз на уже отремонтированные, которые проезжают сотню тысяч до очередного ремонта. Несколько лет назад ему, похоже, поставили новый мотор, видимо, уже нового дизайна. Тот прошёл 780 тыс.км.
Другой пример — таксист в Великобритании владеет двумя теслами Model S 2016 года. Одна проехала больше 600 тыс.км, вторая — почти 700 тыс. Обе — с оригинальными батареями и моторами.
И это — Model S, на которых Tesla отрабатывала технологии. В Model 3/Y — гораздо более надёжные drive units. На тестовом стенде они проходят миллион миль без сервиса, и после этого — как новые внутри.
Так что вопрос остаётся открытым — где статистика по поломкам моторов Теслы, на базе которых вы делаете выводы о их ненадёжности?
Отличный пример.
немец явно ездил в пол, тогда как таксист просто тошнил.
А какой из вышеперечисленных электродвигателей обладает меньшим весом и большей надёжностью при прочих равных? Спасибо!
Подробный анализ benchmarking, сравнительный анализ технологий — отдельный проект. В целом же, можно говорить о том, что наиболее габаритные ASM, но они же и наиболее надежные. Взгляните, пожалуйста, еще раз на табличку сравнения.
Если эти двигатели не применяются китайцами и теслой, то статья фуфел, хочется знать, что и как применяют лидеры, а не аутсайдеры.
Содержание про типы моторов, а не примеры их применения) Специально для Вас добавляю примеры: Tesla model3 PSM, в Nio и PSM, и ASM, Xiaopeng G9 PSM, BYD Tang/Han PSM и т.д. Если обратить внимание, то первым предложением отмечено, что PSM сейчас имеет широчайшее применение, ну а лидеры рынка — Китай. Обе вводных у Вас теперь в наличии)
Здорово, хотелось бы понять почему при одинаковой технологии такой большой разброс в потреблении. Тесла кушает в полтора, два раза меньше своих конкурентов, китайцы не могут догнать, а немцы просто плачут)
) Сегодня знаменательный день для великого Бобровского, обладателя кубка Стенли… Как команда не тождественна лишь одному инопланетянину Макдэвид, так и в автомобиле по итогу не все решает один золотой элемент, тем более, если есть компенсаторы, например в лице Скиннера)). Совокупность «элементов» и их взаимодействие зарешали))
Вряд ли. Полагаю, они рекуперацию правильную придумали.
Нда. и полностью проигнорирована главная причина, по которой выбираются те или иные электродвигатели — ВСХ.
Если рассматривать с этой точки зрения — каждый двигатель — сборище недостатков. и приходится выбирать между худших.
Спасибо, а то в головебыла бардачина.
А к рекуперации какие из них пригодны?
Актуальный вопрос в автосалоне)):
— Какой двигатель стоит в этом автомобиле?
Ответ: — Бензиновый / Дизельный.
— Какой двигатель стоит в этом электромобиле?
Ответ: — Что за вопрос? Электрический!
Когда вопрос касается эффективности системы рекуперации энергии, то критическим компонентом тут является не двигатель, а батарея, вернее ее динамическая характеристика приема заряда.
Больше новостей и обзоров о мобильности нового поколения на канале Телеграм: World Mobility News (t.me/World_Mobility_News )
Заряд современные батареи готовы жрать как не в себя.
До тех пор, пока их применение не переходит в коммерческий транспорт: автобусы и грузовики. Там другой порядок энергии рекуперации. Да и в целом события зарядки в моменте секунд критично для большинства батарей.
Есть что почитать по этому вопросу?
Или в общих словах? Не "любят" ? Почему?
Есть личный опыт работы, например, в проекте водородного электробуса для Европы. Тут точка) А публичную информацию можно почитать в моем телеграм канале.
Нет меня в Телеге :-(