Какой тип электродвигателя лучше для электромобиля?

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