Электрический двигатель: устройство, характеристики, типы и схема электродвигателя для автомобиля

Устройство и характеристики электрического двигателя для авто

С самого момента появления заводов и отходов от них человечество начало беспокоиться об экологии. Это послужило веткой для целой новой науки, которая искала аналоговые источники энергии. Таким источником стало электричество. Оно может быть добыто абсолютно экологичным путем – с помощью турбин, приводимых в движение водой, ветром и даже, солнечным светом.

История появления

Такая же ситуация происходила и с авто. Люди уже давно пытаются сделать электрическое авто. Но всегда был какой-то сдерживающий фактор. Самым главным являлось отсутствие подходящего источника питания. Но не так давно мир увидел первую версию SMART – умного автомобиля, работающего на электричестве, которое распределялось по всей машине по определенной схеме.

Его характеристики могли поспорить с машинами на ДВС. В тот момент все сообщество разделилось на два лагеря – тех, кто пророчил Смарту великое будущее и тех, кто утверждал, что эту идею задавят на корню нефтяные магнаты. И действительно, развитие этой отрасли автомобилестроения продвигалось слишком медленно.

Подобная ситуация сохранялась до недавнего времени. Компания Tesla выпустила свою первую машину на электрической тяге, она была спортивной и не получила широкого распространения. И тогда они приняли решение сделать выброс на рынок массового авто на электрической тяге. И вот тогда-то их компания и начала процветать. А теперь после краткого курса истории, давайте разберемся, что же это за зверь такой – электромобиль, какое у него устройство, из чего он состоит, и на какие характеристики стоит обращать внимание.

Строение электромобиля

Электрический автомобиль имеет довольно простое строение:

• кузов;
• подвеска;
• электромоторы (про их типы мы поговорим позже);
• аккумулятор.

На этом конструкция авто на электрической тяге заканчивается. Да, в нем присутствует огромное количество электронных приборов, подключенных по определенной схеме, кондиционер и все прочее. Но основные части перечислены выше. По сути, это то же самое авто, из которой инженеры выкинули всю двигательную и топливную системы. То есть тут нет бензобака или баллонов с газом. Но самое главное другое – здесь нет воздушных фильтров, двигателя и выхлопной системы. Это значительно улучшает разгонные и некоторые другие характеристики машины. А что же есть? и как такое авто вообще едет?

Двигательная система

Для того, чтобы разобраться в том, как едет электрический автомобиль, нужно сперва разобраться в типах электродвигателей и их характеристиках:

• электромоторы переменного тока;
• электромоторы постоянного тока.

Как вы помните из школьного курса физики, переменный ток создается с помощью огромного магнитного сердечника, который вращается внутри ферромагнитного кожуха. Каждый раз, когда магнит совершает один полный оборот, направление электрического потока в схеме меняется. И это называется переменным током.

А если электричество по схеме течет в одном направлении, то такой ток называется постоянным. Самый наглядный пример таких схем – аккумуляторы и батарейки, которые установлены в будильниках, смартфонах, пультах управления и так далее.

Сперва были попытки сделать авто на электрическом моторе переменного тока. Но тогда потери электричества были просто катастрофическими. К тому же в авто нужно было вставить генератор изменения направления тока. А это потеря драгоценного места и увеличение веса автомобиля. Такие характеристики машины не устроили конструкторов. В итоге было решено исходить из использования постоянного тока.

В конечном счете под авто поставили огромный аккумулятор, выдающий постоянный ток, а к каждому из четырех колес подключили по электродвигателю, работающему на постоянном токе. Схема была предельно проста, и поэтому она сработала. Осталось решить пару вопросов: охлаждение, распределение тока и несколько других.

Все двигатели контролируются единым компьютером, который регулирует мощность электрического потока, а, соответственно, и скорость вращения колес. Причем раньше двигатель электрический был один и располагался под капотом. Но впоследствии было решено использовать четыре разных двигателя, закрепленных непосредственно на подвеске прямо возле колес.

Поэтому неподготовленный водитель с огромным стажем может испытать шок от созерцания отделения капота, здесь находится полноценное багажное отделение, а не привычные «потроха» автомобиля с ДВС.

Аккумуляторы

Кстати, еще один интересный момент – это аккумуляторы. Именно их характеристики и определяют, сколько машина сможет проехать на одном заряде. Они тут, как правило, состоят из набора обычных аккумуляторов, которые применяются в ноутбуках, электронных сигаретах и так далее. Схема их подключения такова, что на выходе мы получаем достаточную мощность для раскручивания двигателя и достаточную емкость для езды на максимальные расстояния. За то, чтобы аккумулятор не разряжался сразу же, отвечает специальное устройство – контроллер заряда и разряда.

Охлаждение

Еще одна проблема – это система охлаждения для аккумулятора. Как известно, при работе он, да и вся электронная схема, довольно сильно греется. А при нагревании литий-ионные аккумуляторы выделяют некоторое количество газа. Чем больше его выйдет, тем хуже характеристики устройства. Соответственно, нельзя допускать перегрева. Поэтому нужно использовать разумную систему охлаждения. Каждый поступает по-своему. Кто-то делает сложную масляную или водяную систему охлаждения, а кто-то просто располагает аккумулятор так, чтобы он постоянно обдувался воздухом. Последний ход позволяет отказаться от систем охлаждения в принципе.

К тому же нагреваются и провода, по которым проходит ток, а также и все прочие электрические и электронные части. Если не озаботиться качественным охлаждением, то летом в такой машине просто невозможно ездить. Поэтому охлаждение машины – еще один бич, который преследует электромобили.

Типы двигателей

Давайте разберемся, что еще нужно знать об устройстве и характеристиках современных двигателей на электрических автомобилях. Итак, вот типы электродвигателей, которые ставятся на современные электромобили:

Тип напряжения

• Постоянное. Его использование более рационально, так как при постоянном токе его расходы впустую значительно уменьшаются.
• Переменное (все-таки, некоторые умудряются их ставить).

Количество фаз

• однофазные (одна обмотка вокруг сердечника);
• двухфазные (две обмотки: одна обхватывает сердечник снизу и сверху, вторая – слева и справа);
• трехфазные (тут используется три обмотки, которые расположены с отставанием в 120 градусов друг от друга).

Конструкция

• Коллекторные. С ними вы встречались в болгарках, дрелях и так далее. Они характеризуются наличием щеток. Довольно ненадежны.
• Бесколлекторные. Тут сердечник находится в постоянном магнитном поле и не касается стенок статора. Встречаются в аквариумных компрессорах и на системах индивидуального отопления. Они надежнее.

Принцип работы

Схема работы может быть следующей:

• Синхронный двигатель. Скорость бега магнитного потока в обмотке равняется скорости вращения ротора.
• Асинхронные. Тут ротор вращается с иной скоростью, чем течет магнитный поток.

Преимущества и недостатки электромобилей перед машинами с ДВС

Начнем с преимуществ:

1. Экологичность (для многих возможность оставить своим детям чистую планету находится превыше всего).
2. Долговечность.
3. Простота в использовании.

Нет ограничения по крутящему моменту. Он достигает своего пика с первого же оборота. Поэтому разгонные характеристики тут просто бешеные.

1. Отличный КПД.
2. Не нужна коробка передач.
3. Сами электродвигатели для электромобилей имеют весьма малые размеры. Некоторые экземпляры располагаются непосредственно в колесе. Такую систему называют мотор-колесо.

1. Есть сложности в питающих элементах. До тех пор, пока ученые не изобретут инновационных банков энергии, машины с электрическим приводом будут много стоить и весить именно из-за аккумуляторов.

К примеру, он в авто от компании Tesla весит около 700 кг. И это при запасе хода в 350 км.

1. Этот недостаток касается именно России и близлежащих стран. Навряд ли в скором времени у нас появятся обширные сети заправочных станций для электрических машин, поэтому покупка данного авто оправдана лишь тогда, когда вы постоянно находитесь в мегаполисе.
2. Охлаждение. Если оно недостаточное, то ресурс аккумулятора будет не слишком велик. Поэтому при выборе машины стоит уделить системе охлаждения особое внимание.

Заключение

Как мы видим, устройство электромобиля достаточно сложное. Инженеры стараются снабдить данные авто всевозможными новациями, а также продлить запас хода. Нам остается только ждать совершенных технологий и восхищаться ими.

Какие бывают электродвигатели для авто

Какие бывают электродвигатели, сегодня стоит знать каждому автомобилисту. И не только из-за увеличения популярности электромобилей. Ведь электромоторы есть на борту всех современных автомобилей.

Итак, какие бывают электродвигатели? Один из стереотипов состоит в том, что все они простые. Если сравнивать с двигателями внутреннего сгорания, это можно считать правдой. Хотя бы потому, что электродвигатель имеет гораздо меньше движущихся деталей, и требования к материалам, технологиям и точности их изготовления намного ниже.

Так работает простейший двигатель постоянного тока – полюса ротора (якоря) и статора отталкиваются друг от друга, вращая вал

Принцип действия

Если в привычном нам ДВС коленвал вращается благодаря энергии расширяющихся газов, которые толкают поршень, то вал электродвигателя вращается благодаря явлению магнитной индукции – силовым полям, которые возникают около проводников с электрическим током. Чтобы сделать эти поля сильными и управляемыми, проводники собраны в обмотки, размещенные на статоре (неподвижная часть электромотора) и роторе (он же якорь, подвижная, вращающаяся часть).

Упрощенно говоря, при подаче напряжения на клеммы двигателя на его статоре и роторе возникают магнитные поля. Они отталкиваются друг от друга, заставляя ротор смещаться относительно статора – проворачиваться. Благодаря наличию коллектора (об этом ниже) или переменному току (и об этом ниже), поле одной из обмоток – ротора или статора – также начинается вращаться, “догоняя” второе из полей. Поэтому ротор вращается до тех пор, пока не будет отключена одна из обмоток и вокруг нее не исчезнет магнитное поле.

Двигатель переменного тока устроен очень похоже. Но в автомобилях “переменка” используется только в тяговых электродвигателях

Как ДВС делятся на бензиновые и дизельные, так электромоторы делятся на моторы переменного и постоянного тока. Отличия довольно существенные, хотя суть одна: вал ротора, с которого снимается нагрузка, вращается благодаря взаимодействию магнитных полей ротора и статора. Тип тока (постоянный или переменный) влияет на способ управления оборотами, смену направления вращения, эксплуатационные и тягово-скоростные характеристики электромотора.

Такие миниатюрные моторчики постоянного тока применяются не только в игрушках, но и в сервоприводах настоящих автомобилей. Естественно, с редуктором и соответствующего качества

Поскольку в 12-вольтной сети обычного автомобиля используется постоянный ток, то и двигатели на его борту – постоянного тока. Это в первую очередь мощный (иногда более 1 л.с.) электромотор стартера, привод электроусилителя руля, “движки”, приводящие во вращение вентиляторы радиатора и климатической установки, стеклоочистители. Маленькие моторчики спрятаны в актуаторах центрального замка, в приводах зеркал, сервомеханизмах регулировках сидений и руля, в насосе омывателя.

Достоинства электродвигателей постоянного тока автомобильного назначения – в компактности и большом крутящем моменте с самых малых оборотов, недостатки – в ограниченной мощности и моменте, а также в наличии коллекторно-щеточного узла, который имеет ограниченный ресурс.

Более мощные электродвигатели постоянного тока приводят в действие стеклоочистители, вентиляторы климата и радиаторов

Двигатели переменного тока обычно применяются там, где нужна большая мощность и высокая надежность. Эти электрические машины обычно конструктивно проще и долговечнее агрегатов постоянного тока. Именно такие двигатели используются как тяговые в большинстве электромобилей и гибридах. Правда, чтобы запитать двигатель переменного тока от батареи, на борту нужен специальный преобразователь тока – непростой и недешевый инвертор, но его применение оправдано.

По принципу работы моторы переменного тока бывают синхронными и асинхронными. Для рядового пользователя это уже высокие материи, скажем только, что асинхронные моторы на электромобилях применяют из-за простоты управления его оборотами.

Тяговые моторы электромобилей обычно работают на “переменке”, имеют возбуждение от постоянного магнита и относятся к асинхронному типу

Кроме того, одна электрическая машина переменного тока есть и в каждом обычном автомобиле – это генератор. По конструкции он аналогичен электродвигателю, только преобразует энергию, образно говоря, в обратную сторону – механическую в электрическую, а не наоборот, как это делает электродвигатель. Чтобы согласовать ток такого генератора с автомобильной бортовой сетью, применяется встроенный выпрямитель.

На практике: что, где, как

Несмотря на имидж простых и неприхотливых, электромоторы можно отнести к узлам, которые беспокоят автовладельцев. Требует внимания стартер – как минимум очистки коллектора и замены щеток, реже – замены подшипников. Распространенная неисправность – отказ моторчика печки, на неновых машинах часто подводит и электродвигатель вентилятора радиатора. Электродвигатель стеклоочистителя, часто имеющий статор с постоянными магнитами, боится перегрева (например, если дворники примерзли к стеклу) – из-за этого магнит теряет свои свойства, и дворники становятся “медленными”.

Дверные приводы замков, в особенности не штатные, а уставленные вместе с сигнализацией, тоже со временем “перегорают”. Увы, большинство используемых в автомобиле электродвигателей постоянного тока не принято ремонтировать, их просто заменяют новыми. Исключение составляет стартер, который весьма недешев.

Шток актуатора дверного замка приводится в действие небольшим моторчиком постоянного тока – через редуктор и электронный блок

Генератор переменного тока также требует обслуживания. У него есть щетки, которые подают ток на обмотку возбуждения, но поскольку работают они не по коллектору, а по гладким контактным кольцам, проблем с этим узлом меньше. Подшипники генератора обычно подлежат замене. Распространенная проблема – падение напряжения в бортовой сети из-за перегоревшего диода выпрямителя генератора.

Тяговые электромоторы гибридов и “электричек” обслуживают и ремонтируют в условиях фирменных СТО. Причем нужно быть готовым к тому, что из-за связанных с высоким напряжением рисков электромеханики запросят завышенный гонорар.

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Электрические двигатели в автомобиле

Электрические двигатели в автомобиле — это электрические машины (электромеханические преобразователи), в которых электрическая энергия преобразуется в механическую. В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Вот о том, что представляют собой электрические двигатели, мы и поговорим в этой статье.

Систематика роторных электрических машин

Электрические двигатели в автомобиле являются электро-магнето-механическими преобразо­вателями энергии. При энергии W_m, имеющейся в магнитном поле, разряд, согласно углу вращения γ, создает магнитную силу F_t:

Она служит тангенциальной силой для соз­дания крутящего момента, вычисляемого по радиусу ротора r (рис. «Принцип работы роторных электрических машин» ). Это можно описать выражением:

М = F_t r .

Электрические машины можно поделить на категории по их управлению (табл. «Систематический подход к электрическим двигателям»). Часть этой систематизации взята из стандарта DIN 42027.

Двигатели постоянного тока

Для работы в качестве двигателей часто вы­бираются двигатели постоянного тока. Они ис­пользуются, например, в качестве приводов для электрических топливных насосов, вентилятор­ных электродвигателей, пусковых электродви­гателей, электродвигателей стеклоочистителей ветрового стекла и стеклоподъемников.

Двигатель постоянного тока (рис. «Структура двухполюсного эектродвигателя переменного тока» ) со­стоит из статора с возбуждающей, компенси­рующей и коллекторной обмотками, а также ротора (якоря) с роторной обмоткой. Ротор запитывается через коллекторные щетки и коллекторные пластины. Обмотки можно со­единять параллельно или последовательно.

Двигатели постоянного тока классифици­руются по различным характеристикам (с по­следовательным или параллельным возбуж­дением). Приведенные вычисления относятся к самокоммутирующимся двигателям. Схемы соединений двигателей постоянного тока регламентируются стандартом DIN EN 60034, часть 8.

Коммутация в двигателе постоянного тока

Для работы двигателя постоянного тока не­обходимо, чтобы направление тока в роторе оставалось постоянным относительно по­люсов статора (рис. «Принцип коммутации тока» ). Процесс изменения направления тока в роторе происходит в нейтральной зоне и называется коммута­цией. Коммутатор получает ток I_R через кол­лекторные щетки. Он делится на токи ветвей I_zw. Напряжение, наводимое в обмотках, вы­числяется по формуле:

Тангенциальная скорость v_t поверхности кол­лектора:

Для определения длительности цикла Т_с учи­тывается количество коллекторных пластин:

Изменение тока в коллекторной обмотке про­исходит за время Т_с. Если учесть, что имеет место лишь ток I_zw, то для наведенного на­пряжения применяется следующее:

u = -L (I_zw v_t K / πd_c)

Обозначения берутся из DIN 1304. часть 7.

Коммутирующая и компенсирующая обмотки

Распределение поля

Главное поле, беспрепятственно проникающее в ротор при отсутствии тока, имеет симметрич­ное распределение (рис. а, «Наложение полей» ). Аналогично, имеется симметричное разделение потока, когда ток подается только на ротор (рис. Ь, «Наложение полей» ).

При наложении этих полей нейтральная зона отклоняется на угол β (рис. с, «Наложение полей» ). Таким об­разом, эта магнитно-нейтральная зона больше не соответствует геометрически нейтральной зоне (положение коллекторных щеток).

В геометрически нейтральной зоне это соз­дает магнитное поле, которое в процессе ком­мутации наводит напряжение в обмотке ротора, вызывая искрение между щеткой и движущейся коллекторной пластиной. Во избежание этого в процессе коммутации в этой обмотке наводится другое напряжение, где амплитуда и направле­ние компенсируют эффект изначально наведен­ного напряжения. Это достигается с помощью коммутирующей обмотки (рис. «Структура двухполюсного электродвигателя переменного тока» ). Коммутирую­щая обмотка последовательно подключается к обмотке ротора. Она использует обратную ре­акцию ротора для противодействия смещению в магнитно-нейтральной зоне.

В случае с двигателями без коммути­рующей обмотки щетки нужно смещать в магнитно-нейтральную зону. Возмущение основного поля, возникаю­щее в области полюсного башмака, ведет к снижению доступной поверхности клеммы вкупе с ростом магнитного сопротивления. Вот почему у более крупных двигателей име­ется компенсирующая обмотка, встроенная как полюсный башмак (рис. «Структура двухполюсного электродвигателя переменного тока» ). Компенсирующая обмотка последовательно соединяется с об­моткой ротора, и ее размеры таковы, чтобы компенсировать поперечное поле ротора.

Эффект коммутирующей и компенсирующей обмоток

Последовательность изображений на рис. «Эффект компенсирующей и коммутирующей обмоток» описывает эффект обеих обмоток. Показаны распределения полей в воздушном зазоре. Рас­положение полюсов с обмоткой и нейтральной зоной показано на рис. а. Распределение поля возбуждения В_E(х) под полюсным башмаком, а также полюсное деление τ_Р показаны на рис. Ь. На рис. с показано распределение попе­речного поля ротора B_r(x). Наложение обоих распределений полей можно увидеть на рис. d. Компенсирующая индукция B_k(x) (рис.5е) и наложение из рис. d показаны на рис. f. Если коммутирующая индукция B_w(x) на рис. g накладывается на распределение поля из рис. f, то получаем желаемое распределе­ние поля согласно рис. h.

Расчет тангенциальной силы ротора

Для создания крутящего момента на роторе необходима тангенциальная сила. Объекты исследования — статор и ротор с канавкой (рис. «Расположение статора и ротора» ), в которой находится токоведущий проводник (прядь обмотки). Ротор переме­щается из положения 1 в положение 2. Поток статора Ф_s создает индукцию B_s в воздуш­ном зазоре, а проводник в роторе, через ко­торый протекает ток, вызывает индукцию В_R. С левой стороны канавки образуется деструк­тивное, а с правой стороны — конструктивное наложение этих двух индукций. Энергия, на­копленная в воздушном зазоре с левой сто­роны канавки, равна:

С правой стороны канавки она равна:

dW1 = (δI_L/2μ) (B_s 2 +B_R 2 )dx (уравнение 2).

Работа dW, выполняемая в этой части, по­лучается из разности между энергиями dW₁ и dW₂:

dW = dW1- dW₂ = F_t dx (уравнение 3).

Уравнения 1, 2 и 3 можно использовать для вычисления силы F_t. Это можно описать вы­ражением:

F_t = (l_Rδ/2μ) B_R 2

Магнитно-эффективная длина ротора равна l_R. Сила F_t — это квадратичная функция ин­дукции провода, по которому протекает ток. Влияния индукции статора компенсируют друг друга. Поскольку силы на пограничных слоях всегда воздействуют в направлении низкой проницаемости, то они влияют на кру­тящий момент из-за потоков, возникающих по бокам от канавки.

Электродвигатель параллельного возбуждения

Особенностью электродвигателя параллель­ного возбуждения является то, что обмотка ротора параллельно соединяется с обмоткой возбуждения. Для электродвигателя парал­лельного возбуждения действуют следующие условия подключения (рис. «Обозначение подключений электродвигателя с параллельным возбуждением» ):

• А — обмотка ротора:
• А — коммутирующая обмотка;
• С — Компенсирующая обмотка;
• Е — обмотка возбуждения.

Расчет электродвигателя параллельного возбуждения базируется на сопротивлении ротора R_A и напряжении, наводимом обмот­кой ротора. Напряжение на клеммах U_Kl со­ставляется из напряжения ротора U_A = I_А R_A и наведенного напряжения U_ind = c₁ n Ф_S:

U_Kl = I_А R_A + c₁ n Ф_S (уравнение 4).

Здесь с₁ обозначает конструктивно опреде­ляемую константу двигателя, зависящую от количества катушек в обмотке ротора, n — ча­стота вращения, Ф_S — поток статора, I_А — ток ротора.

Решение уравнения 4 для n дает скорость вращения (уравнение частоты вращения — тока ротора):

Если момент двигателя М_м = с₂Ф_S I_Авставить в уравнение частоты вращения — тока ротора (уравнение 5), то получим уравнение частоты вращения — крутящего момента

с₂ — это тоже конструктивно определяемая константа двигателя, зависящая от количе­ства катушек в обмотке ротора.

На рис. «Зависимость частоты вращения от крутящего момента электродвигателя с параллельным возбуждением» показаны рабочие характеристики электродвигателя параллельного возбуждения. Для преодоления трения двигатель должен развивать фрикционный момент M_R. В момент включения частота вращения равна нулю. Это позволяет вычислить пуско­вой момент

в уравнении 6. При теоретически самой высо­кой частоте вращения на характеристической кривой (холостые обороты), двигатель не развивает крутящий момент. Холостые обо­роты n равны

Электродвигатель с последовательным возбуждением

У электродвигателя с последовательным воз­буждением коммутирующая, компенсирую­щая, возбуждающая обмотки статора и об­мотка ротора соединяются последовательно (рис. «Обозначение подключений электродвигателя с последовательным возбуждением» ). D обозначает обмотку возбуждения электродвигателя с последовательным воз­буждением. Чтобы определить рабочие характеристики, суммируем сопротивления обмоток, и получаем сопротивление R_A.

Точно таким же образом, как и в случае с электродвигателем параллельного возбуж­дения, напряжение на клеммах U_KL склады­вается из напряжения ротора и наведенного напряжения:

В результате получаем уравнение скорости вращения:

Магнитный поток можно вычислить с помо­щью другой константы двигателя с₃:

Ф = с₃ I_А (уравнение 9).

Константа двигателя с₃ имеет единицу ин­дуктивности и поэтому зависит от геометрии, количества катушек и проницаемости. Крутя­щий момент двигателя М_м вычисляется по формуле

М_м = с₂с₃I_А 2 (уравнение 10).

Если уравнение 10 скорректировать согласно I_А, это выражение будет действительно в уравнении 9 и оно, в свою очередь, в уравне­нии частоты вращения — тока (уравнение 8). В результате получаем:

n = (- R_A/c₁·с₃) + (U_Kl √с₂·с₃/с₁·с₃) (1/√М_м ) (уравнение 11).

В отличие от электродвигателя с параллель­ным возбуждением, здесь частота вращения пропорциональна соответствующему значе­нию корня крутящего момента (рис. «Зависимость частоты вращения от крутящего момента электродвигателя с последовательным возбуждением» ). Дви­гатель характеризуется значительным паде­нием частоты вращения при малой нагрузке. Если внешняя нагрузка на двигатель будет равна нулю, то частота вращения теоретиче­ски будет стремиться к бесконечности.

ВРемонт.su – ремонт фото видео аппаратуры, бытовой техники, обзор и анализ рынка сферы услуг

Home Автоэлектроника Электроприводы агрегатов автомобиля

Электроприводы агрегатов автомобиля

На современном автомобиле установлено большое число агрегатов, требующих для приведения в действие затрат механической энергии. Эту энергию они получают в большинстве случаев от электродвигателей.

Электродвигатель с механизмом передачи механической энергии и схемой управления электродвигателем образуют систему электропривода автомобиля. Для передачи энергии в автомобильном электроприводе используются зубчатые и червячные передачи, кривошипно-шатунные механизмы. Часто электродвигатель и механизм передачи механической энергий объединяют в моторедуктор или электродвигатель совмещают с исполнительным элементом.

Электроприводы автомобиля приводят в действие вентиляторы отопителей и системы охлаждения двигателя, стеклоподъемники, устройства выдвижения антенн, стеклоочистители, насосы омывателей, фароочистители, подогреватели, топливные насосы и т.п. Расмотрим требования предъявляемые к электродвигателям и типы электрических двигателей используемых в системах электропривода агрегатов автомобиля.

Электродвигатели приводов агрегатов автомобиля

Требования, предъявляемые к электродвигателям, весьма разнообразны. Электродвигатели отопителей и вентиляторов автомобиля имеют продолжительный режим работы и малый пусковой момент; электродвигатели стеклоподъемника обладают большим пусковым моментом, но работают кратковременно; электродвигатели стеклоочистителей воспринимают переменные нагрузки и, следовательно, должны обладать жесткой выходной характеристикой, частота вращения вала не должна существенно меняться при перемене нагрузки; электродвигатели предпусковых подогревателей должны нормально работать при очень низких температурах окружающего воздуха.

В приводах агрегатов автомобиля применяют электродвигатели только постоянного тока. Их номинальные мощности должны соответствовать ряду 6, 10, 16, 25, 40, 60, 90, 120, 150, 180, 250, 370 Вт, а номинальные частоты вращения валов ряду 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 9000 и 10 000 об/мин.

Электродвигатели с электромагнитным возбуждением в системе электропривода агрегатов автомобиля имеют последовательное, параллельное или смешанное возбуждение. Реверсивные электродвигатели снабжены двумя обмотками возбуждения. Однако применение электродвигателей с электромагнитным возбуждением в настоящее время сокращается. Более широко распространены электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов.

Конструкции электродвигателей чрезвычайно разнообразны.

Рис. 2. Электродвигатель отопителя

На рис. 2 показано устройство электродвигателя отопителя. Постоянные магниты 2 закреплены на корпусе 12 электродвигателя пружинами 10. Вал якоря 11 установлен в металлокерамических подшипниках 1 и 5, расположенных в корпусе и в крышке 8. Крышка крепится к корпусу винтами, ввернутыми в пластины 9. Ток к коллектору 6 подводится через щетки 4, помещенные в щеткодержатель 3. Траверса 7 из изоляционного материала, объединяющая все щеткодержатели в общий узел, прикреплена к крышке 8.

На электродвигателях мощностью до 100 Вт общим является применение подшипников скольжения с металлокерамическими вкладышами, щеткодержателей коробчатого типа и коллекторов, штампованных из медной ленты с опрессовкой пластмассой. Применяют и коллекторы, изготовленные из трубы, имеющей на внутренней поверхности продольные пазы.

Крышки и корпус изготовляют цельнотянутыми из листовой стали. В электродвигателях стеклоомывателей крышки и корпус — пластмассовые. Статор электродвигателей электромагнитного возбуждения набирают из пластин; причем оба полюса и ярмо штампуют как одно целое из листовой стали.

Постоянные магниты типов 1 и 2 (см. табл. ниже) устанавливают в магнитопровод, залитый в пластмассовый корпус. Магниты типов 3, 4 и 5 прикрепляют к корпусу плоскими стальными пружинами или приклеивают. Магнит типа 6 устанавливают и приклеивают в магнитопровод, который размещается в крышке электродвигателя. Якорь набирают из пластин электротехнической стали толщиной 1-1,5 мм.

Технические данные основных типов электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов

таблица 1. Основные типы электродвигателей в электроприводах отечественных автомобилей.

Электродвигатель	Тип магнита	Назначение	Напряжение, В	Полезная мощность, Вт	Частота вращения вала, об/мин	Масса, кг
МЭ268	1	Привод омывателей	12	10	9000	0,14
МЭ268Б	1	То же	24	10	9000	0,15
45.3730	4	Привод отопителей	12	90	4100	1
МЭИ	3	То же	12	5	2500	0,5
МЭ237	4	»	24	25	3000	0,9
МЭ236	4	»	12	25	3000	1
МЭ255	4	»	12	20	3000	0,8
19.3730	5	»	12	40	2500	1,3
МЭ250	5	»	24	40	3000	1,3
МЭ237Б	4	Привод стекло- очистителей	12	12	2000	0,9
МЭ237Е	4	То же	24	12	2000	0,9
МЭ251	2	Привод вентиляра	24	5	2500	0,5
МЭ272	6	То же	12	100	2600	2,25

Технические данные основных типов электродвигателей с электромагнитным возбуждением

таблица 2. Основные типы электродвигателей в электроприводах отечественных автомобилей.

Электродвигатель	Назначение	Напряжение, В	Полезная мощность, Вт	Частота вращения вала, об/мин	Масса, кг
МЭ201	Привод отопителей	12	11	5500	0,5
МЭ208	То же	24	11	5500	0,5
МЭНА	Привод стеклоочисти-телей	12	15	1500	1,3
МЭ202	Привод предпускового	12	11	4500	0,5
МЭ202Б	То же	24	11	4500	0,5
МЭ252	»	24	180	6500	4,7
32.3730	»	12	180	6500	4,7
МЭ228А	Привод антенны	12	12	4000	0,8

Электродвигатели мощностью более 100 Вт близки по конструкции к генераторам постоянного тока. Они имеют корпус, изготовленный из полосовой малоуглеродистой стали или из трубы, на котором винтами закреплены полюса с обмоткой возбуждения. Крышки стянуты между собой болтами. В крышках расположены шариковые подшипники. Реактивные щеткодержатели обеспечивают стабильную работу щеток на коллекторе.

Двухскоростные двигатели с электромагнитным возбуждением имеют выводы каждой катушки возбуждения, электродвигатели с постоянными магнитами оборудованы третьей дополнительной щеткой, при подаче питания на которую частота вращения вала увеличивается.

Технические данные основных типов электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов представлены в табл. 1, а с электромагнитным возбуждением в табл. 2.

Виды двигателей для электромобиля

Наверное, каждый слышал, что жидкое топливо имеет ограниченный ресурс и в скором времени мы его исчерпаем. Вот почему многие производители автомобилей занялись разработками электрокаров. Двигатель для электромобиля имеет свои преимущества и недостатки: сравним его с ДВС и узнаем, можно ли купить электрический мотор и по какой цене.

1. Как устроен электрокар
2. Что такое тяговый электромотор
3. Моторы для электрокаров
4. Отличия по типу тока
5. Особенности мотора-колесо
6. Особенности электромотора
7. Крутящий момент
8. Количество оборотов
9. Коллекторный и бесколлекторный приводы
10. Электропривод и ДВС при минусовой температуре
11. Самый популярный электродвигатель
12. Стоимость приводов для электрокаров
13. В заключение
14. Электромоторы для транспорта будущего: Видео

Как устроен электрокар

Наверное, самым наглядным примером является электромобиль — это фактически тот же автомобиль, но только на электрической тяге. Узнайте подробнее, какое устройство электромобиля.

Что такое тяговый электромотор

Тяговый электропривод — это индукционный мотор, который предназначен для приведения в движение транспортного средства, независимо от его предназначения и габаритов. Подобными двигателями оснащены уже давно привычные нам транспортные средства:

• погрузчики на складах;
• троллейбусы;
• локомотивы (поезда);
• трамваи.

Относительно недавно такие агрегаты стали применяться и в гражданском автомобилестроении. Причем стоит отметить, что принципиально сами моторы не изменились: в зависимости от потребностей меняться может лишь размер и мощность устройства.

Тяговые электродвигатели для электрокара представляют собой мощные электрические моторы, которые в силу своих технических данных имеют некоторые конструктивные отличия от обычных двигателей:

• индивидуальные способы крепления и усиленные крепежи;
• место для размещения;
• многогранные станины;
• увеличенные габариты;
• большой вес.

Тяговый электрический привод в силу того, что чаще всего используется в городских пассажирских транспортных средствах, должен быть рассчитан на эксплуатацию в довольно сложных погодных условиях – дождь, пыль, грязь, высокие и низкие температуры.

Все это делает обязательным наличие дополнительных способов защиты: тепло- и гидроизоляции.

Особенности тягового мотора:

• Якорь состоит из:
  • сердечника,
  • обмотки,
  • вала,
  • коллектора.
• Щетки и щеткодержатели в этом случае одна конструкция, которая крепится к остову через изоляторы.
• Остов одновременно выполняет функции магнитопровода, ведь именно к нему крепятся основные и дополнительные полюса. Поэтому остов выполняется из стали, обладающей отличными магнитными свойствами.

Теперь рассмотрим принцип действия электромотора. Если в двух словах, то при подаче на обмотку статора образуется сильное вращающееся магнитное поле, которое наводит ток в короткозамкнутой обмотке ротора. Такое воздействие заставляет ротор вращаться. И чем сильнее магнитное поле, образуемое статором, тем мощнее будет сила вращения – так называемый крутящий момент.

Моторы для электрокаров

Существует большое количество разных разработок электрических моторов, которые отличаются между собой по множеству параметров. Иногда эти отличия весьма разительны.

Есть разделение по принципу работы:

• По типу тока – переменный, постоянный или гибридный. Они, в свою очередь, могут разделяться на такие типы:
  • синхронный;
  • асинхронный;
  • шаговые и сервоприводы – как правило, используются в промышленных станках для точного позиционирования рабочего инструмента.
  • коллекторный и безколлекторный.
• Мотор-колесо.

Каждый из этих приводов имеет свои особенности, которые определяют область применения. Поэтому давайте рассмотрим их подробнее.

Отличия по типу тока

Как мы знаем, существует два типа тока: переменный и постоянный.

По сути, такие моторы работают по схожим принципам: все отличия заключаются в способе питания привода. А он, в свою очередь, определяет некоторые особенности:

Электродвигатель постоянного тока имеет возможность более плавного и точного регулирования оборотов. А еще более высокий КПД, что очень важно в автомобилях. Но такой тип привода имеет и более высокую стоимость. Конструктивная особенность в том, что обмотка находится на роторе (он же называется якорем), который является подвижной вращающейся частью.

Двигатель переменного тока устроен так: обмотка мотора расположена на статоре. Причем между статором и ротором есть воздушный зазор, величина которого определяет другие дополнительные особенности привода. По большей части эти устройства нашли признание благодаря весьма простой конструкции.

Они разделяются на два типа:

• Однофазный привод не имеет начального пускового момента, поэтому по большей части используется в бытовых приборах. Направление вращения определяется внешними силами в момент запуска.
• Трехфазные разделяются на два подвида:
  • с короткозамкнутым ротором;
  • С фазным ротором.

Именно трехфазные электроприводы могут быть синхронными и асинхронными. Как раз асинхронный мотор с короткозамкнутым ротором получил наибольшее распространение.

Существуют универсальные приводы. В последнее время именно они вытесняют традиционные моторы постоянного и переменного тока.

Суть универсальных приводов заключается в том, что вся работа контролируется платой управления. Такие двигатели называются ЕС (англ. electronically communicated). Ротор такого привода имеет постоянные магниты, а статор оснащен набором неподвижных катушек. Подключение осуществляется при помощи электронных схем: они могут переключать фазы в неподвижных катушках, что помогает поддерживать вращение ротора.

В нужный момент плата управления подключает подачу постоянного тока в определенной полярности. Это увеличивает точность электромотора. Благодаря такой конструкции и внешнему управлению двигатель ЕС не имеет ограниченной синхронной скорости вращения.

Особенности мотора-колесо

Мотор-колесо уже давно известен, однако не получал применение в автомобилях в силу некоторых ограничений того времени. Относительно недавно была применена новая технология пусковой обмотки, благодаря чему получилось достичь высокого пускового момента.

Современное мотор-колесо для электромобиля имеет несколько преимуществ:

• Устойчивость к перепадам температур.
• Простота и дешевизна в производстве (сборке).
• Низкий уровень шума при работе и малый вес.
• Надежность и долговечность.
• Простота в обслуживании.

По большей части это электродвигатели российского производства, так как изначально они были придуманы в РФ ученым Дуюновым, затем модернизированы.

Мотор-колесо состоит из тех же компонентов, что и обычный электродвигатель:

• ротор с магнитами;
• статор с катушками.

На статор подается электричество, которое при помощи катушек создает магнитное поле, воздействующее на магниты ротора, заставляя их вращаться. При этом все компоненты спрятаны внутри колеса.

Внутри ближе к центру оси располагается неподвижный статор с множеством катушек. Вокруг него подвижная часть – ротор с магнитами. Это традиционное расположение, но существуют варианты и с обратным порядком, когда вращающаяся часть находится внутри, а вокруг ротора располагается неподвижный статор. Такая конструкция имеет определенные преимущества, но реализовать ее технически сложнее.

Особенности электромотора

Можно выделить много положительных качеств, присущих электродвигателям:

• экологичность,
• экономичность,
• низкий уровень шума,
• простота в обслуживании,
• долговечность.

К особенностям же можно отнести два наиболее важных показателя:

• высокий крутящий момент,
• неограниченное количество оборотов, что позволяет полностью исключить потребность в КПП.

Именно от этих параметров и зависит мощность автомобиля и его скорость. Конечно, есть и другие параметры, такие, как дальность пробега, надежность, легкость в обслуживании и многое другое. Но в первую очередь принимается во внимание именно крутящий момент и скорость вращения привода.

Крутящий момент

Тяговый показатель двигателя определяет мощность мотора. Измеряется данный показатель в ньютонах на метр (Hm).

Если говорить об электродвигателях, то современные приводы имеют весьма высокую мощность при относительно низком потреблении.

В целях экономии пространства и снижения веса автопроизводители стараются не оснащать машины слишком мощными приводами и большими аккумуляторами. Но даже в таком случае крутящий момент весьма высок.

Расчет электродвигателя включает в себя в первую очередь именно крутящий момент.

Если быть конкретнее, то минимальный показатель для электромобиля будет составлять около 170 Hm. Максимальный показатель может достигать и 10 000 Hm, как, например, у Tesla Roadster. Но такие характеристики стали возможными благодаря использованию КПП.

В большинстве случаев коробки переключения передач в электрокарах не используются, поэтому крутящий момент колеблется в диапазоне от 280 Hm до 600 Hm, чего более чем достаточно.

Количество оборотов

Как мы уже выяснили, электромотор обладает высоким потенциалом и отличной мощностью, а также имеет большое количество оборотов. Причем, как правило, количество оборотов ограничивается искусственно – платой управления. И это также является одним из преимуществ электрического привода в автомобилях. Конечно, все зависит от того, какого типа мотор будет установлен, какие аккумуляторы будут использоваться, и от других параметров.

На сегодняшний день количество оборотов асинхронного мотора, который используется в Tesla S, достигает 16 000 Обмин. В зависимости от производителя и типа двигателя данный показатель может изменяться, и, как правило, колеблется в пределах от 14 000 до 18 000 оборотов.

Коллекторный и бесколлекторный приводы

Для подачи питания на движущуюся часть двигателя (якорь) была разработана такая схема:

• На якоре все катушки соединяются с группой контактов, которая называется коллектором.

• Коллектор (подвижная деталь) соединяется со статичной частью мотора через так называемые щетки. Это графитовые контакты, которые пружинами придавливаются к коллектору. При этом коллектор может свободно вращаться, не теряя контакта со щетками.

Конечно, в этой конструкции есть несколько недостатков:

• При резких перепадах напряжений (при старте или остановке) возникают довольно мощные искры.
• Щетки со временем стираются и их надо заменять. По сути это расходный материал.
• Количество оборотов ограничено.

Бесколлекторные электродвигатели (БД) лишены таких недостатков. Поэтому они получают все большее распространение и все чаще производители электрокаров обращают на них свое внимание. К таким моторам относятся современные универсальные приводы с электронным управлением.

Электропривод и ДВС при минусовой температуре

Каждый автовладелец сталкивался с проблемой, когда ДВС сложно запустить на сильном морозе. И это объясняется рядом факторов:

• ДВС имеет множество трущихся деталей. При отрицательных температурах металл сжимается, и силы трения увеличиваются.
• Масла при низкой температуре загустевают.
• Емкость аккумулятора и его ударный ток снижаются при низких температурах.
• Топливо может загустеть при большом морозе (особенно дизельное).

Все эти недостатки не касаются электропривода, так как в нем практически нет трущихся деталей, за исключением нескольких подшипников. А источником энергии для такого привода является аккумулятор, который расположен в теплоизолированном месте под салоном автомобиля.

Самый популярный электродвигатель

Выше мы в целом рассмотрели, какие применяются электродвигатели для электрокаров. Все они имеют плюсы и минусы. Но если говорить о промышленных масштабах, то здесь неоспоримое лидерство получили агрегаты с электронным управлением: они лишены большинства недостатков, вобрали в себя лучшие качества всех видов и являются оптимальным решением.

Конечно, такой электромотор для электромобиля имеет наиболее высокую стоимость, но она вполне оправдана получаемыми характеристиками.

Стоимость приводов для электрокаров

Цены на двигатели для электромобилей разнятся из-за конструктивных отличий моторов, характеристик используемых материалов. Стоимость может колебаться от 1500 до 5 000 американских долларов.

Многое зависит от технических характеристик:

• мощность (W),
• крутящий момент,
• тип мотора,
• напряжение и многое другое.

Более того, электродвигатели, которые используются при изготовлении электрокаров, не продаются в обычных магазинах. Купить двигатель такого типа можно только по индивидуальному заказу. В остальных случаях они поставляются оптом на автомобильные заводы.

В заключение

Новые разработки двигателей для электромобилей позволили достичь небывалых результатов:

• Крутящий момент максимален сразу с момента запуска.
• Нет трущихся деталей.
• Малые размеры.
• Надежность и долговечность.
• Низкий уровень шума.
• Исключено негативное влияние на экологию.
• Широкий диапазон управления оборотами позволяет полностью убрать коробку переключения передач.

И это далеко не весь список достоинств. Однако двигатель для электрокара имеет два довольно существенных минуса:

• Малая дальность пробега без подзарядки.
• Нет оборудованных станций для заряда аккумуляторов.

Эти проблемы решаемы и минимизируются уже сегодня: разрабатываются новые технологии, позволяющие увеличить дальность пробега, создаются станции заряда электрокаров.

Электромоторы для транспорта будущего: Видео

Электродвигатели

• Основные параметры электродвигателя
  • Момент электродвигателя
  • Мощность электродвигателя
  • Коэффициент полезного действия
  • Номинальная частота вращения
  • Момент инерции ротора
  • Номинальное напряжение
  • Электрическая постоянная времени
  • Механическая характеристика
• Сравнение характеристик электродвигателей
• Области применения электродвигателей
• Производители электродвигателей

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является – электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть.

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
• Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы синхронного электродвигателя

Классификация электродвигателей

1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, – датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
3. Вентильный электродвигатель постоянного тока – электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

• КДПТ – коллекторный двигатель постоянного тока
• БДПТ – бесколлекторный двигатель постоянного тока
• ЭП – электрический преобразователь
• ДПР – датчик положения ротора
• ВРД – вентильный реактивный двигатель
• АДКР – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
• АДФР – асинхронный двигатель с фазным ротором
• СДОВ – синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

• СДПМ – синхронный двигатель с постоянными магнитами
• СДПМП – синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
• СДПМВ – синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами
• СРД – синхронный реактивный двигатель
• ПМ – постоянные магниты
• ЧП – частотный преобразователь

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина – вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина – вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

• Однофазный
• Двухфазный

Cинхронный электродвигатель

• С обмоткой возбуждения
• С постоянными магнитами

• Реактивный
• Гистерезисный
• Реактивно-гистерезисный
• Шаговый

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Основные параметры электродвигателя

• Момент электродвигателя
• Мощность электродвигателя
• Коэффициент полезного действия
• Номинальная частота вращения

• Момент инерции ротора
• Номинальное напряжение
• Электрическая постоянная времени
• Механическая характеристика

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) – векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

• где M – вращающий момент, Нм,
• F – сила, Н,
• r – радиус-вектор, м

,

• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном – номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент – момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя – это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность – физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t – время, с

Работа – скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

,

• где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

• где – угол, рад,

,

• где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя – характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

• где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P₁ – подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P₂ – полезная мощность (механическая), Вт

При этом потери в электродвигатели обусловлены:
• электрическими потерями – в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
• магнитными потерями – потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
• механическими потерями – потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
• дополнительными потерями – потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

• где n – частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции – скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

• где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
• m – масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

• где – угловое ускорение, с -2 [2]

,

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) – напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени – это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

• где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

Принцип работы карбюратора

Сейчас все современные бензиновые двигатели комплектуются инжекторной системой питания. За счет того, что инжектор является более совершенным, то он практически вытеснил карбюратор на автотранспорте. Но по дорогам колесит еще большое количество автомобилей, двигатель которых оборудован карбюраторной системой. Карбюратор — это основной узел такой системы, и главная его задача – приготовление топливовоздушной смеси в необходимой пропорции для последующей её подачи в камеры сгорания двигателя.

Всего имеется три вида карбюраторных систем, одна из которых – барботажная вовсе не используется, а две другие, включающие в конструкцию игольчато-мембранный и поплавковый карбюраторы вполне еще применимы и встретить их можно на самой разнообразной технике. Из двух последних, на автотранспорте использовался только карбюратор поплавкового типа. Игольчато-мембранный же тип можно встретить на бензопилах, мотокосах и даже на авиатехнике.

Устройство и принцип работы карбюратора

Карбюратор поплавкового типа представляет собой единый узел, включенный в систему питания. За время использования такой системы на автомобилях было разработано большое количество карбюраторов, имеющие разные особенности по конструкции, но все они функционируют используя один принцип.

Простейший поплавковый карбюратор состоит из двух камер:

1. поплавковой камеры;
2. и смесительной.

В задачу первой входит дозирование топлива и поддержание его на определенном уровне. Благодаря этой камере обеспечивается стабильная подача бензина при разных условиях работы мотора.

Конструктивно она очень проста. Внутри устройства имеется поплавковая камера с помещенным в нее поплавком, связанным с клапаном игольчатого типа, который размещен в канале подачи бензина от бензонасоса. По мере расхода топлива поплавок опускается, а с ним и клапан, в результате канал открывается и бензин закачивается в полость. При закачке необходимого уровня поплавок вместе клапаном поднимается вверх и полностью перекрывает канал.

Видео: Устройство карбюратора

Вторая камера обеспечивает смешивание топлива в проходящий воздушный поток. Для этого в ней установлен диффузор – специально суженый участок камеры. Благодаря этому диффузору, воздух, проходящий через него, значительно ускоряется.

Две эти камеры соединены между собой распылителем. Та его сторона которая установлена в поплавковой камере дополнительно оснащена топливным жиклером – специальной вставкой со сквозным отверстием определенного диаметра. Его задача – обеспечивать подачу строго определенного количества бензина. Второй конец распылителя выведен в диффузор.

Работает все так: на такте впуска в цилиндре двигателя поршень движется вниз, создавая разрежения. Из-за этого происходит всасывание воздуха через воздухозаборник с установленным в него фильтром. Этот заборник располагается на карбюраторе, поэтому поток проходит через смесительную камеру.

Движение воздуха при ускорении в диффузоре, обеспечивает образование разрежения в распылительной трубке, из-за чего топливо начинает из него вытекать и подмешиваться в проходящий поток.

Регулировка подаваемой смеси в цилиндры обеспечивается дроссельной заслонкой, которая установлена за диффузором. Путем перекрывания канала, по которому движется топливовоздушная смесь, регулируется скорость движения воздуха. Именно на эту заслонку и воздействует водитель, нажимая на акселератор.

Устройство карбюратора подразумевает еще одну заслонку – воздушную. Если дросселем регулируется подаваемое количество уже готовой смеси, то вторая заслонка перекрывает подачу воздуха. А поскольку в цилиндрах разрежение при работающем моторе все же создается, то смесь получается обогащенной, которая характеризуется повышенным содержанием топлива.

Что еще входит в конструкцию?

Но это упрощенная схема карбюратора. На деле же выясняется, что карбюратор состоит из большого числа деталей и все значительно сложнее, ведь двигатель во время эксплуатации работает в разных режимах, при этом для каждого из них необходима смесь соответствующего состава.

Поэтому современный карбюратор поплавкового типа имеет сложное устройство со значительным количеством каналов, вспомогательных систем и дополнительного оборудования. Все это позволяет карбюратору обеспечивать смесеобразование на любых режимах работы.

Поэтому в конструкции карбюратора, помимо двух камер, имеется:

• система пуска;
• главная дозирующая система;
• система холостого хода;
• насос ускорительный;
• экономайзер;
• эконостат;

Каждая из этих составляющих имеет свое назначение в устройстве карбюратора и обеспечивают подачу оптимальной по количеству и качеству смеси на любых режимах функционирования силового агрегата.

1. Система пуска

Система пуска обеспечивает подачу обогащенной смеси в цилиндры двигателя во время запуска мотора. Основным элементом этой системы является воздушная заслонка. В отечественных карбюраторах она имеет ручное управление (рукоятка подсоса, выведенная в салон). В зарубежных аналогах часто встречается автоматическая система пуска, которая самостоятельно регулирует степень открытия воздушной заслонки.

При этом система пуска конструктивно сделана так, чтобы предотвратить подачу переобогащенной смеси в цилиндры сразу после пуска мотора. Для этого привод заслонки сделан так, чтобы она имела возможность самостоятельно приоткрываться, обеспечивая обеднение смеси. К тому же она связана посредством системы тяг с дроссельной заслонкой, что позволяет карбюратору во время запуска и прогрева регулировать степень открытия этих заслонок.

2. Главная дозирующая система

Главная система дозировки обеспечивает основную подачу смеси в цилиндр при всех режимах работы мотора. Единственное, она не задействуется при работе двигателя в режиме холостого хода. Основная ее задача – подача необходимого количества смеси (несколько обедненной) в цилиндры двигателя. Для того, чтобы исключить переобогащение смеси в переходных режимах эта система осуществляет компенсацию недостающего количества воздуха путем подачи из распылителя не чистого бензина, а эмульсии, в которую уже подмешана часть воздуха. Для этого на большинстве карбюраторов топливо, перед попаданием в распылитель, проходит через специально проделанные эмульсионные колодца, где и осуществляется предварительное смешивание.

3. Система ХХ

Система холостого хода обеспечивает устойчивую работу силовой установки на малых оборотах, когда дроссельная заслонка полностью закрыта. Представляет она собой систему каналов по которым подается воздух и топливо под дроссельную заслонку. То есть, смесительная камера при таком режиме не задействуется, поскольку система ХХ изготавливает необходимое количество смеси и подает во впускной коллектор в обход ее. Дополнительно эта система включает в себя еще один канал – переходной, в задачу которого входит обеспечение поддержания стабильной работы мотора во время смены режима от ХХ до средних оборотов.

Ускорительный насос

Ускорительный насос обеспечивает подачу необходимого количества смеси при резком ускорении, когда главная дозирующая система не успевает обеспечить это, поскольку она обеспечивает нормальную подачу только при плавном открытии дроссельной заслонки. В задачу этого насоса входит кратковременное обогащение смеси, что позволяет избежать «провала» при ускорении. Для этого имеется специальный канал, перекрытый шариковыми клапанами и оснащенный мембраной, привод которой осуществляется от дросселя. При резком нажатии на акселератор, шарики приоткрывают канал, а мембрана выдавливает порцию эмульсии в специальный распылитель, установленный перед диффузором.

Экономайзер и эконостат

Экономайзер обеспечивает максимальный выход мощности от мотора, когда это необходимо. Достигается это подачей обогащенной смеси за счет подачи дополнительной порции эмульсии в основной распылитель в обход главной системы дозировки.

Эконостат позволяет двигателю выдавать максимальную мощность при высоких оборотах. Для этого данный элемент обеспечивает подачу и бензина непосредственно из поплавковой полости и распыление его перед диффузором.

Это основные элементы и системы карбюратора. Также в его конструкции используется поплавковая камера сбалансированного типа. Чтобы бензин в ней поддерживался на заданном уровне, в камере не должно образовываться разрежение и для этого ее соединяют с атмосферой. Сбалансированная же камера подразумевает объединение ее с горловиной карбюратора, что предотвращает попадание в нее загрязняющих веществ вместе с воздухом.

Принцип работы и устройство карбюратора

Карбюратор – это обязательный узел питания двигателя внутреннего сгорания автомобилей и мотоциклов. До конца XX века карбюраторы устанавливались на большинство автомобилей, но в наши дни их прочно вытеснили более удобные и функциональные инжекторные системы. Сейчас они часто встречаются в автомобилях возрастом 20 и более лет.

Принцип работы и устройство простейшего карбюратора

В первом устройстве, изобретенном Л. Христофорисом в 1876 году, топливо нагревалось, испарялось, образовавшиеся пары и потоки воздуха смешивались. Спустя год решение усовершенствовали, использовав принцип топливного распыления, который стал основой для следующих проектов.

До широкого распространения привычных нам устройств были барботажные модели и мембранно-игольчатые. Первые — в виде бензинового бака, в котором близко от поверхности располагалась доска и пара патрубков для подачи из атмосферы и забора смеси топлива и воздуха в мотор. Воздух перемещался под доской, непосредственно над топливом, обогащался парами и становился горючей смесью. Это была простая, но рабочая система. Дроссельная заслонка находилась отдельно. На функционирование мотора с барботажным узлом влияли природные условия — испаряемость зависела от температуры. Такую систему было сложно регулировать, она была взрывоопасна.

Мембранно-игольчатое устройство размещается отдельно от бензобака. В нем было нескольких камер, жестко связанных с помощью штока. Седло клапана, через который подавалось топливо, запиралось иглой на штоке. Камеры были соединены топливным каналом и смесительной зоной. Параметры устройства определяли пружины, на которые надавливали мембраны. Такой карбюратор работал независимо от условий на улице и местоположения, был популярен в начале 19 века, когда его устанавливали на автомобилях и мототехнике, в самолетах с поршневыми моторами внутреннего сгорания.

Устройство карбюратора наших дней

Сегодня используются поплавковые модели, которые являются самыми усовершенствованными. Их можно увидеть на большинстве машин.

Поплавковый карбюратор состоит из множества элементов:

• Поплавковая камера для сохранения горючего на заданном уровне.
• Поплавок, оснащенный специальной иглой, который используется для дозирования уровня бензина.
• Смесительная камера ― для смешения топлива в мелкодисперсном виде с воздухом.
• Диффузор — зауженное место для увеличения скорости воздуха.
• Распылитель, оснащенный жиклером, который соединяет камеры, подает смесь в диффузор.
• Заслонка дросселя — для регулировки потока рабочей жидкости.
• Воздушная заслонка — для регулировки потока воздуха, поступающего в карбюратор. С помощью элемента создают смесь «обогащенную», «нормальную» или «бедную».
• Система холостого хода — подает горючее мимо смесительной камеры по спецканалам в задроссельное пространство.
• Эконостаты и экономайзеры — обеспечивают дополнительную подачу топлива при существенных нагрузках. Эконостаты работают от разрежения воздуха, экономайзерами управляют принудительно.
• Подсос горючего — для принудительного обогащения топливной смеси. С помощью рычага водитель приоткрывает дроссельную заслонку, воздух проходит сквозь смесительную камеру и забирает больше горючего. В результате смесь становится обогащенной, помогает запустить холодный двигатель.

Принцип работы карбюратора

Сначала горючее направляется в поплавковую камеру. В момент достижения необходимого уровня поплавок поднимается и перекрывает клапан, через который подается топливо. Когда поплавок опускается, подача топлива возобновляется.

Далее топливо идет в смесительную камеру, где создается горючая смесь. Сверху подается воздух, который соединяется с горючим. В камере находится распылительная трубка с жиклером, а также дроссель и диффузор. Жиклер — это пробка, которая не допускает вытекание топлива из поплавковой камеры. Заслонка, соединенная с педалью, называется дросселем. При надавливании ногой, она открывается, и горючая смесь попадает в цилиндр. В результате машина набирает скорость. В диффузоре находится распределительная трубка.

В момент запуска в смесительной камере формируется разрежение, из распылителя разбрызгивается топливо. Поднимается поток воздуха, который при смешении с топливом, переносит горючее в цилиндр.

В новейших устройствах помимо смесительной и поплавковой камер, находится также пусковое и дозирующее устройство, конструкция холостого хода, экономайзер, ускорительный насос. Устаревшие модели не обеспечивают полноценную работу мотора, поскольку в зависимости от того, холодный или горячий двигатель, смесь должна быть разной. Если запускают холодный двигатель, требуется горючая смесь, обогащенная топливом. В случае, когда мотор долго работал, необходима смесь с небольшим включением топлива.

Для увеличения скорости или езды в нагруженной машине, нужна смесь, сильно обогащенная топливом. Аналогичная ситуация при движении на холостом ходу, на малых оборотах. Такие условия простой карбюратор обеспечить не в силах.

С целью обогащения смеси топливом применяют насос-ускоритель. Когда резко выжимают педаль, проходит воздух, который движется быстрее топлива. С этим связана нехватка топлива в горючей жидкости. При наличии насоса силовой агрегат работает мощнее.

Система холостого хода идеальна для малых оборотов. При таком режиме силовой агрегат функционирует на обогащенной смеси. Однако, одной дозирующей системы недостаточно, ведь на холостом ходу дроссель открывается лишь частично. В новейших карбюраторах горючая смесь формируется около дросселя, поскольку в этом месте, даже если дроссель открыт не полностью, создается необходимое разрежение.

Для запуска мотора требуется смесь, которая обогащена топливом. С этой целью в смесительной камере предусмотрена заслонка с клапаном, через который проходит воздух. На приборной панели автомобиля есть ручка для управления клапаном. При вытягивании ручки клапан приоткрывается, и объем воздуха в смесительной камере сокращается. А количество горючего в смеси возрастает. В результате даже первые порции смеси достаточно насыщены, и мотор быстро заводится. При наличии спускового устройства двигатель работает даже при пониженных температурах.

Возможности дозирующего устройства позволяют создавать смесь, подходящую для работы двигателя в разных режимах. С помощью системы автоматически регулируется состав смеси при работе мотора с малой и средней нагрузкой. В таком режиме топливо подается через дозирующую систему. Однако, даже при полном открытии дросселя горючего часто недостаточно. По этой причине, когда дроссель практически полностью открыт, рычаг, соединенный с ним, воздействует на тягу привода экономайзера — так открывается дополнительный проход из поплавковой камеры. В итоге двигатель функционирует более мощно.

Классификация карбюраторов

Все карбюраторы можно различать по следующим признакам:

• По направлению движения потока различают горизонтальные и вертикальные модели.
• По регулировке отверстия распылителя и формированию разрежения разделяют: системы с постоянным разрежением; с постоянным сечением (серийные устройства); с золотниковым дросселированием — модели для мототехники, в них вместо дроссельной заслонки объем поступающей смеси регулирует шибер-золотник.
• По числу смесительных камер выпускают одно- и многокамерные модели. «Сдвоенные» устройства используются в моторах с цилиндрами, которые находятся далеко друг от друга. В результате каждая половина осуществляет впрыск в свои цилиндры.Принцип работы карбюратора

Карбюраторы подразделяются на виды, а работа каждого вида осуществляется своим индивидуальным способом. К примеру, фитильные функционируют благодаря тому, что заставляют воздушные потоки просачиваться по поверхности пропитанных газом фитилей. Вследствие этого процесса происходит испарение паров бензина в атмосферу. Но, стоит признать, что о фитильных карбюраторах мы рассказываем для того, чтобы осветить полный обзор информации о карбюраторах. На самом деле этот метод давно перестали использовать, так как он устарел более сотни лет назад.

В основном карбюраторы сегодняшнего дня функционируют благодаря механизму распыления. Они работают за счёт эффекта Вентури с целью вытягивания бензина из камеры.

Все карбюраторы, которые работают по принципу Бернулли, обладают некоторыми особенностями. Изменение давления воздуха предсказуемо и прямо пропорционально скорости его движения. Это имеет большое значение, так как воздух, проходящий через карбюратор, содержит узкую сжатую трубку Вентури. Ее функция состоит в том, чтобы ускорять воздушный поток, проходящий через нее.

Воздух функционирует только благодаря педали акселератора. Она и дроссельный клапан, который расположен в карбюраторе – связаны между собой тросиком. Этот клапан закрывает трубку в момент не использования педали акселератора, а когда происходит нажатие на эту педаль, он ее открывает. Благодаря этому воздух проходит сквозь трубку Вентури.

Выходит, что происходит засасывание большего количества топлива из камеры для смешивания. Именно эти принципы лежат в основе работы карбюратора.

Подавляющее количество этих приборов оснащены дополнительным клапаном над трубкой Вентури (дроссель). Он частично закрыт, когда двигатель не работает, а это, в свою очередь, делает количество воздуха, которое способно пройти в карбюратор, меньше. Вследствие этого образуется более богатая смесь/воздух или топливо, поэтому дроссель откроется, когда двигатель придет в работу, и нагреется, ведь для эксплуатации ему больше не будет нужна богатая смесь.

Иные компоненты карбюраторной системы также разработаны с целью воздействия на воздушно-топливную смесь при различных условиях работы.

Карбюратор является сложным элементом, и вся его техническая работа тоже достаточно сложна.