С кратным увеличением на дорогах электромобилей зеленая индустрия также стала развиваться активнее. Если вы задумались о приобретении транспортного средства данного типа, стоит для начала ознакомиться с матчастью и понять, какие электромоторы бывают и чем они отличаются.

Возвращение в историю

Чтобы разобраться, чем могут отличаться электродвигатели, следует понять общий принцип, по которому они работают. Основная задача электродвигателя – преобразовать электрическую энергию в механическую. Для достижения этой цели существует множество способов, но в большинстве электродвигателей используются одни и те же два основных компонента: статор и ротор.

Статор является неподвижным магнитом, тогда как ротор – это вращающийся узел, который попеременно притягивается и отталкивается магнитным полем статора. Изменяя магнитное поле внутри двигателя (путем быстрого изменения полярности либо ротора, либо статора), ротор вращается. Именно с помощью вращения электродвигатели приводят в движение предметы, включая колеса автомобилей. Однако на поверку оказывается, что существует множество способов намагничивать предметы и заставлять ротор вращаться.

В первых электромобилях, то есть электрических экипажах, созданных до начала ХХ века, использовались простейшие двигатели, также известные как электродвигатели постоянного тока (ДПТ). Эти установки имели проволочную катушку непосредственно на роторе и магниты на статоре. Вращение ротора осуществлялось путем направления электрического тока на проволочную катушку на нем и изменения его электромагнитного поля таким образом, чтобы оно постоянно противодействовало магнитам на статоре.

В свою очередь, изменение направления тока осуществлялось с помощью «щеток», расположенных на роторе. Первоначально эти щетки представляли собой пучки проволоки, которые выглядели как щетки; в современных приложениях они изготавливаются из цельных пластин углеграфита.

Щетки вступали в контакт с устройством, называемым коллектором, расположенным на статоре. Коммутатор менял направление тока, текущего по проводам ротора, изменяя электромагнитное поле и позволяя ротору вращаться. Сегодня «щеточные» двигатели работают на постоянном токе, который изначально передается через аккумуляторный блок электромобиля.

По словам представителей компании Parvalux, производящих «щеточные» электродвигатели, преимуществами этой конструкции являются чрезвычайно высокий начальный крутящий момент, а также гораздо более низкая стоимость, чем у большинства других двигателей – всё благодаря простоте их конструкции.

Недостатком технологии, конечно, является то, что щетки физически соприкасаются с внешними краями двигателя, что создает трение и снижает эффективность. Это трение также приводит к износу щеток, которые требуют замены. Выделяемое тепло тоже ограничивает максимальную устойчивую скорость, которую может развить такой электродвигатель.

По этим причинам на протяжении целого десятилетия такие двигатели полностью исчерпали себя, пока BMW не выпустила последнюю версию трансмиссии eDrive. Она основана на более сложной конструкции, чем электродвигатели постоянного тока старой школы: во-первых, в них используется переменный ток, что позволяет им быть значительно более мощными, чем старые электродвигатели постоянного тока с щеткой, а во-вторых, это обеспечивает превосходную эффективность.

BMW уже заявила, что соотношение мощности и веса у этой электрической трансмиссии пятого поколения «улучшается примерно на 30% по сравнению с предыдущим поколением». Кроме того, при выпуске таких моторов отпадает необходимость в применении редкоземельных металлов, которые становится все труднее и дороже добывать. «Баварцы» ранее отмечали, что разработали специальный корпус для снижения образования пыли на щетках. А это, в свою очередь, влияет на долговечность трансмиссии.

Иная технология

Другой основной тип электродвигателей – бесщеточные агрегаты. Вместо того, чтобы использовать коммутатор для переключения направления тока, переключение магнитного поля осуществляется полностью без физических контактов. Хотя в некоторых старых гибридных автомобилях существуют бесщеточные двигатели постоянного тока, в которых переключение тока осуществляется электронным способом, а не через коммутаторы, большинство современных электромобилей используют конструкцию бесщеточного двигателя переменного тока. На рынке сегодня представлено множество конструкций электродвигателей переменного тока, но наиболее распространенными в автомобилестроении являются синхронный двигатель с постоянными магнитами (PSM) и асинхронный двигатель.

Асинхронные двигатели работают за счет вращения магнитного поля статора от сети переменного тока. В таком двигателе и статор, и ротор сделаны из проволочных обмоток. К статору подается переменный ток, который создает магнитное поле. Это магнитное поле индуцирует ток в роторе. Ток в роторе имеет свое собственное магнитное поле, которое противодействует статору, и это приводит к вращению. Сдвиг магнитного поля статора всегда должен опережать вращение ротора (отсюда и название «асинхронный»), и вращение продолжается до прекращения подачи питания.

Плюсы асинхронных двигателей заключаются в том, что эта технология отлично зарекомендовала себя еще в 1888 году благодаря Николе Тесла и была реализована вскоре после этого. Большинство промышленных двигателей переменного тока, использовавшихся с конца XIX до начала XX века, были индуктивными, и поскольку они просто подавали ток для создания своих магнитных полей, их изготовление было дешевым и простым.

Недостатками данного мотора еще в 2007 году, по словам бывшего главного инженера силовой электроники Tesla Уолли Риппела, является то, что «асинхронными машинами сложнее управлять, чем бесщеточными системами постоянного тока», а их пиковая эффективность ниже, чем у большинства конкурирующих типов двигателей. Кроме того, они, как правило, большие и тяжелые из-за громоздких проволочных обмоток, необходимых как для статора, так и для ротора. В результате асинхронные двигатели в настоящее время используются реже, наиболее широко их применяли в компании Tesla на всем пути от оригинального родстера до передней полноприводной модели Model Y.

Постоянный ток

Синхронные двигатели с постоянными магнитами, с другой стороны, подают ток исключительно на статор. В этой системе магнитное поле смещается, и ротор вращается с одинаковой скоростью, из-за чего она называется «синхронной». Хотя технически построить такой мотор сложнее, чем асинхронный двигатель – он не способен к самостоятельному запуску, а невозможность полного отключения электромагнитного поля приводит к сопротивлению качению без питания. При этом такие двигатели значительно компактнее, весят меньше и обеспечивают наилучший крутящий момент.

Эти недостатки настолько сильны, что практически в каждом электромобиле последних лет использовался двигатель с постоянными магнитами, в том числе и в Tesla, которая в конце прошлого десятилетия ушла от использования исключительно асинхронных двигателей. Самая большая проблема, с которой сталкивается большинство автопроизводителей при использовании двигателей с постоянными магнитами – это непосредственно изготовление таких магнитов, поскольку для них требуется большое количество редкоземельных металлов. Их добыча обходится дорого, а текущие мировые поставки почти полностью осуществляются через Китай, что усложняет закупки для западных компаний.

Daft Flux

В то время как BMW полностью отказалась от редкоземельных металлов, используя электродвигатели переменного тока со щеткой, другие производители стремятся свести к минимуму использование этих металлов без снижения выходной мощности. В результате следующим важным достижением в области электродвигателей, вероятно, станет переход от радиального потока, который сегодня использует каждый описанный выше тип двигателя, к осевому потоку.

Магнитный поток – это, если упростить, само магнитное поле. Радиальный поток – это движение этого поля, которое действует в радиальном направлении (полезно, например, для вращения ротора внутри корпуса статора); вместо этого двигатели с осевым потоком размещают проводники в радиальном направлении, и поле перемещается вдоль оси ротора. Ротор в этой системе больше не находится внутри статора. Они работают как два диска, параллельных друг другу. Аксиальные электродвигатели существовали в концепции на протяжении двух столетий, но сила магнита, необходимая для их функционирования в промышленных масштабах, была невозможна до недавнего времени.

Однако с развитием электромобилей магнитная технология значительно улучшилась, и теперь возможны аксиальные двигатели, хотя в массовом производстве их еще долго не будет. Приводной блок «Quark» от Koenigsegg Gemera представляет собой гибридный радиально-осевой электродвигатель, который обеспечивает лучшую удельную мощность среди всех электродвигателей, представленных сегодня на рынке. Производитель электродвигателей YASA (в настоящее время принадлежащий Mercedes-Benz) утверждает, что их двигатели обеспечивают «в четыре раза больший крутящий момент и вдвое большую удельную мощность» по сравнению с радиальными двигателями, при этом весят вдвое меньше и имеют на 20% меньшие размеры.

Эти двигатели YASA были достаточно эффективны, чтобы привести Риса Миллена к первой безоговорочной победе на Пайкс-Пик во время гонки полностью электрических автомобилей в 2015 году. Хотя для осевых двигателей по-прежнему требуются сильные постоянные магниты, они намного эффективнее радиальных двигателей, поскольку для их производства требуется значительно меньше редкоземельных металлов. Это означает, что по мере снижения затрат все больше и больше производителей, вероятно, начнут присматриваться к ним в качестве трансмиссий для электромобилей потребительского класса.

Мы сердечно благодарим каждого из Вас за то, что пришли на наш концерт!
Ваша энергия вдохновляют нас.
Спасибо за вашу искреннюю поддержку!
Ваш Знак Ответа!

Когда мы рассматривали различные проекты автомобилей из альтернативных металлу материалов, в одной из статей присутствовала мотоколяска Oskar-Velorex с обшивкой из дерматина. В другой нашей статье вообще рассказывалось о кит-комплектах, из которых можно было собрать транспортное средство самому.

Любопытно, что в далеком 1982 году белорусский дизайнер Дмитрий Сурский совместил два этих принципа, чтобы построить поистине уникальный автомобиль. И вот его история…

Дипломный проект

Более 30 лет Дмитрий Сурский возглавлял Белорусский союз дизайнеров. Но в указанном выше год ему только предстояло закончить Белорусскую Государственную Академию Искусств. А для этого требовалось выбрать объект дипломной работы. Дмитрий остановился на автомоделировании. Причем речь не шла о каком-то макете: транспортное средство должно было передвигаться самостоятельно и иметь необходимый минимум технических прибор на борту.

В качестве основы будущего авто Д. Сурский использовал патентованный метод моделирования кузова своего научного руководителя, профессора кафедры дизайна И.Я. Герасименко. Он заключался в том, что на трубчатый каркас натягивалась ткань, придавая кузову очертания различных, самых футуристических и необычных форм. Что-то подобное в 2001 году представит BMW.

Дмитрий Сурский вспоминает: «В мире дизайна этот способ был еще нов и свеж. После натяжения материала его фиксировали изнутри слоем эпоксидной смолы, после чего на затвердевший панцирь наносилась стеклоткань. В процессе форма могла случайно измениться, что и вовсе приводило к неожиданным результатам.

А вот классическое формование являлось занятием трудоемким. Нужно было вылепить трехмерный макет из глины, потом снять с него форму, сделать оболочку и т.д. А натяжение ткани на каркас избавляло стилистов от этой “кабалы”».

Впрочем, модель нашего героя было построена не совсем по этому принципу. Он справедливо посчитал, что самым красивым элементом проекта является трубчатый каркас, тогда как натянутая поверх ткань скрывает его. Нужно было всё сделать наоборот, но чтобы прийти к этой мысли, молодому дизайнеру помог случай: в процессе лепки пробного макета он перед лепкой корпуса усилил форму проволокой; одна из сторон каркаса оголилась, что и стало отправной точкой проекта.

«Я ведь хотел сделать транспортное средство с прицелом на гражданское применение, – говорит дизайнер. – Тем более, что в бывшей Чехословакии такое уже выпускалось (упомянутая мотоколяска Velorex, прим. авт.) Поэтому все дизайнерские абстракции мной были исключены. Мое ноу-хау заключалось в том, что каркасный корпус автомобиля не был скрыт тентом, а наоборот, находился снаружи. Ткань при этом удобно пристегивалась с помощью хлястиков, застежек и пряжек».

Автору так понравилась эта идея, что он уже видел серийное производство своего авто с различными вариантами тентов, в том числи и зимних, сделанных из овчины или с подбоем на гагачьем пуху.

Корпус же проект оказался простым и функциональным. Двери и крыша в нем открывались на молниях, а внутри были предусмотрены вместительные карманы для инструментов. Что касается самой формы корпуса, то она получилась незатейливой, можно сказать утилитарной: место водителя было образовано стеклянной оболочкой, которая двигалась по дугообразным направляющим и фиксировалось, упираясь в ветровое стекло. Словом, конструкция получилось очень простой и удобной в использовании.

Поиск «донора»

Все автомобильные энтузиасты того времени знали, что самым сложным процесс в СССР являлся поиск ходового донора для проекта. Свои «самоделкины» были и в Минске. От них Дмитрий узнал, что в качестве шасси можно использовать «инвалидку», которые подотчетно выдавались ветеранам труда и ВОВ. Молодому человеку, ясное дело, никто такой транспорт бы не продал. Выручало то, что срок эксплуатации такого ТС составлял всего 6 лет, после чего ее нужно было заменить. Так начался «план перехват» бэушной мотоколяски.

Инвалид мог получить новую коляску только после того, как предоставит квитанцию о сдаче старой на чермет, – вспоминает Сурский. –В Министерстве соцобеспечения я выяснил, что сданная в утиль мотоколяска стоит 16 рублей. От своей учебной организации я написал письмо, зачислился на прием к заместителю министра. Моя просьба его очень удивила. «Не получится, даже не мечтай!», сказал он, хотя разрешение свое дал. Я тогда подумал: «Зачем стою здесь ради одной коляски? Пусть их будет две, на запчасти!». В результате за 32 рубля я купил две мотоколяски, причем обе были на ходу».

Когда весь корпус с донора был удален, он еще раз убедился, что «инвалидка» подходит для проекта как нельзя лучше. Передний мост в этой машине был автономным, на двух торсионах. Задний мост был на рычагах. Укрепив днище трубками, Дмитрий получил надежное несущее основание, на которое кузовной каркас крепился болтами.

«Чтобы посмотреть, как машина будет выглядеть, я сделал черновой каркас из мягкой проволоки. Потом родственник, работавший сантехником, достал для меня 40 погонных метров стальных труб. Варить из них каркас мне помогал товарищ по Академии, Юра Отливщиков. К третьему курсу он уже стал профессиональным сварщиком, получил 6-ой разряд и варил газом, как бог. Никакие полуавтоматы, а тем более аргонные сварки нам тогда были недоступны, но это не помешало сделать работу качественно, а получившиеся швы красиво потом обработать.

Заднее стекло для «Джинсового автомобиля» было куплено в таксопарке за червонец. Принадлежавшее ранее маршрутке типа «РАФ», оно имело изогнутую форму, и став лобовым, идеально дополнило облик дипломного авто.

Но тяжелее всего оказалось найти самую важную часть проекта, оболочку. В качестве имитации джинсовой ткани отлично подходил голубой тент, которым обтягивали грузовики Совтрансавто. «Но в этой компании меня интеллигентно послали, – уточняет Дмитрий. – Сказали, что списанную ткань используют в ремонте еще ликвидных тентов. А все обрезки уже выклянчили байдарочники. Тогда я отправился в МАЗ, где этот материал совсем недавно появился. Один из знакомых отца работал на заводе главным технологом. Через него по письму из Академии мне продали 20 метров этой ткани, за которую пришлось выложить 188 рублей. По документам она называлась «винил из кожи» и была сделана на прочной синтетической основе, предназначенной специально для тента.

С выбором всех мелких деталей, необходимых для большей зрелищности, включая молнии, замки, хольнитены, я определился во время прохождения трудовой практики на фурнитурном заводе. Многое изготовил сам. Пряжки, к примеру, я гнул из алюминиевой проволоки со стальным сердечником – она использовалась для электрических матч, классно выглядела и здорово держала форму».

***

Защита диплома проходила утром на крыльце родной Академии. Проект Дмитрия Сурского всех удивил и даже после презентации наделал много шума. Все крупные белорусские газеты («Звезда», «Вечерний Минск», «Знамя Юности», «Советская Белоруссия») не преминули написать о необычном авто молодого дизайнера. Целые развороты ему посвящали издания всесоюзного уровня и даже те, что печатались на экспорт, вроде газеты Moscow News и журнала «Советский Союз». А в прессе, ориентированной на профтехобразование, публикаций было без счета. О «Джинсовом автомобиле» писал журнал «Парус», выпускавшийся в Минске на весь СССР, «Техника Молодежи», венгерский журнал «Автомотор».

Но предметом особой гордости для Д. Сурского стала публикация о его работе старейшем итальянском дизайнерском издании Domus, учрежденном еще в 1930-ых культовой фигурой Джио Понти. В нулевом (даже не в первом) русскоязычном номере статья о «Джинсовом авто» размещалась на центральном развороте, а в самом тексте этому проекту отвели роль, ни много, ни мало, столпа советского дизайна того времени. Увы, серийное производство такой мотоколяски никого не заинтересовало, но свой след в истории белорусского дизайна ее появление точно оставило.