Silnik, jak sama nazwa wskazuje, to urządzenie przetwarzające energię elektryczną i mechaniczną. Każdy silnik może działać jako silnik lub jako generator. Sam nie generuje energii, a jedynie realizuje konwersję energii elektromechanicznej, ale straty w procesie konwersji zostaną zamienione na ciepło, więc każdy projekt silnika obejmuje konstrukcję elektromagnetyczną, konstrukcję mechaniczną i konstrukcję termiczną. Zwracamy większą uwagę na moc elektryczną, moc mechaniczną, straty i sprawność, temperaturę i inne parametry wydajności.
W zależności od konstrukcji i zastosowania istnieje wiele typów silników. Jednak głównymi silnikami stosowanymi w obecnym napędzie samochodowym są silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, silniki asynchroniczne (silniki indukcyjne), silniki reluktancyjne przełączane, silniki elektryczne wzbudzenia i silniki prądu stałego. W tym momencie każdy nie może nie zwrócić uwagi na to, jakie są różnice między tymi silnikami oraz jakie są zalety i wady każdego z nich? Zróbmy tutaj prostą popularnonaukową.
DC
Silnik prądu stałego jest najstarszym wynalazkiem w rodzinie silników. Jej wynalazcą jest znany Faraday. Tradycyjny silnik prądu stałego składa się głównie z uzwojenia twornika na wirniku, uzwojenia wzbudzenia na stojanie, rdzeni stojana i wirnika, ramy i szczotki. Uformowany jest komutator, uzwojenie wzbudzenia zapewnia wzbudzające pole magnetyczne i twornik uzwojenie dostarcza prąd, który wytwarza moment obrotowy.
Jak wspomniano wcześniej, silnik prądu stałego ma uzwojenie wzbudzenia i uzwojenie twornika. Wielkość pola magnetycznego można kontrolować, kontrolując prąd uzwojenia wzbudzenia, a moment obrotowy można regulować, kontrolując prąd uzwojenia twornika. Dlatego największą zaletą silnika prądu stałego jest dobra wydajność sterowania. Prędkość wyjściową i moment obrotowy silnika można regulować prawie liniowo tylko za pomocą zewnętrznego rezystora zmiennego.
Jednak ze względu na istnienie szczotki niezawodność jest niska, koszt utrzymania jest wysoki, a dodatkowe straty spowodowane rezystancją styku szczotki i rezystancją zewnętrzną są duże, a sprawność silnika jest stosunkowo niska. Obecnie w nowo opracowanych pojazdach elektrycznych w zasadzie nie stosuje się już szczotkowanych silników prądu stałego, które na ogół stosuje się tylko w miejscach takich jak podnośniki szyb, wycieraczki itp., a istnieje tendencja do stosowania komutatorów elektronicznych w celu zastąpienia komutatorów szczotkowych.
silnik indukcyjny
Wynalazcą silnika indukcyjnego jest kolejny gigant technologiczny Tesla. Zasadniczo rdzeń stojana jest osadzony w trójfazowych uzwojeniach prądu przemiennego, a wirnik składa się z żelaznego rdzenia i zwartych uzwojeń klatkowych. Gdy trójfazowy prąd przemienny jest podłączony do uzwojeń stojana, wygeneruje synchroniczne synchroniczne wirujące pole magnetyczne w przestrzeni syntetycznej, przetnie uzwojenie wirnika, a tym samym wygeneruje prąd w uzwojeniu klatki wirnika, a prąd będzie poddawany działaniu pola magnetycznego pole do generowania siły elektromagnetycznej wprawiającej wirnik w ruch obrotowy.
Ponieważ nie ma potrzeby stosowania szczotek na wirniku, konstrukcja jest prosta, niezawodność jest dobra, a technologia produkcji stosunkowo dojrzała, dzięki czemu znajduje szerokie zastosowanie w produkcji przemysłowej. Obecnie jest stosowany w niektórych samochodach osobowych, ale ze względu na niską gęstość mocy i skomplikowane sterowanie jest rzadko stosowany w samochodach osobowych. Aby upamiętnić tę wspaniałą postać, Tesla Motor zastosowała w swoich wczesnych produktach indukcję klatki z miedzianego pręta. Jednak ze względu na ogólną sprawność, gęstość mocy i inne parametry nadal nie można go porównać z silnikami z magnesami trwałymi ziem rzadkich. Najnowszy Model 3 przestawił się na silniki synchroniczne z magnesami trwałymi jako silniki napędowe.
Konwencjonalne silniki synchroniczne i silniki synchroniczne z magnesami trwałymi
Konstrukcja stojana silnika synchronicznego jest taka sama jak w poprzednim silniku indukcyjnym. Należy do silnika prądu przemiennego. Tylko uzwojenie stojana przechodzi przez symetryczny prąd przemienny, który generuje pewną wirującą siłę magnetomotoryczną w szczelinie powietrznej. Różnica w stosunku do silnika asynchronicznego polega na tym, że jego prędkość wirnika jest zgodna z prędkością wirującego pola magnetycznego.
Jest to tradycyjny silnik synchroniczny ze wzbudzeniem elektrycznym, a jego wystające bieguny wirnika są uzwojone z uzwojeniem wzbudzenia i wyciągane przez pierścienie ślizgowe i szczotki na wale. Oznacza to, że jego magnetomotoryczna siła wzbudzenia jest zapewniana przez zewnętrzny prąd stały. Dlatego jego wydajność sterowania jest stosunkowo dobra, a współczynnik mocy i sprawność mogą być stosunkowo wysokie. Ponieważ jednak wymagana jest zewnętrzna wzbudnica, rozmiar jest duży, a pierścień ślizgowy szczotki wymaga regularnej konserwacji, więc ten typ silnika jest najczęściej używany w generatorach elektrowni i jest stosunkowo rzadki w samochodach.
Najczęściej stosowanym w nowych pojazdach energetycznych jest silnik synchroniczny z magnesami trwałymi. Różnica w stosunku do poprzedniego polega na tym, że rdzeń wirnika nie ma uzwojeń, a jedynie magnesy trwałe montowane powierzchniowo lub wbudowane. Elektromechaniczna konwersja energii następuje w wyniku działania wirującego pola magnetycznego.
Ponieważ prędkość samochodu musi być często regulowana, prędkość silnika jest zaprojektowana tak, aby była stosunkowo wysoka, więc silnik synchroniczny z magnesami trwałymi z wbudowaną stalą magnetyczną po prawej stronie jest bardziej korzystny ze względu na dobrą wytrzymałość mechaniczną i ma stosunkowo dużą siłę magnetyczną jak na ten rodzaj silnika z wbudowaną stalą magnetyczną. Moment oporowy bardziej sprzyja oszczędzaniu ilości stali magnetycznej i poprawie wydajności osłabiania pola.
Przełączany silnik reluktancyjny
Silnik reluktancyjny to silnik o nowej konstrukcji. Na wirniku nie ma ani uzwojenia, ani magnesu trwałego, ale solidna konstrukcja z wystających biegunów ułożonych w arkusze ze stali krzemowej. Opiera się na zasadzie minimalnej reluktancji (strumień magnetyczny musi być zawsze zamknięty na ścieżce o najmniejszej reluktancji). Poprzez przełączenie sekwencji zasilania uzwojeń na wystających biegunach stojana, wirnik w sposób ciągły przesuwa się do pozycji z najmniejszą opornością, wprawiając w ten sposób wirnik w ruch obrotowy.
Struktura magnetorezystywna jest prosta, mocna, niezawodna, tania i ma duży potencjał rozwojowy. Dlatego w ostatnich latach szybko się rozwinął w dziedzinie regulacji prędkości trakcji. Jednak ze względu na nieodłączne wahania momentu obrotowego oraz oczywiste wibracje i hałas, jest on obecnie używany tylko w niektórych samochodach osobowych.
Obecnie istnieją również nowe hybrydowe silniki reluktancyjne typu wzbudzenia. Zwykle w szczelinę reluktancyjną wirnika wkłada się pewien ferrytowy materiał magnesu trwałego, dzięki czemu osiągi silnika są wyższe niż silnika reluktancyjnego z powodu wprowadzenia części momentu obrotowego magnesu trwałego. , a koszt nie jest tak wysoki, jak w przypadku silników z magnesami trwałymi ziem rzadkich.
Epilog
Ten artykuł przedstawia kilka znanych nam silników. Podsumowując, silniki prądu stałego są stopniowo eliminowane ze względu na ich słabą niezawodność i średnią wydajność; technologia sterowania przełączanymi silnikami reluktancyjnymi nie jest jeszcze dojrzała, a hałas i wibracje są oczywiste przy niskich prędkościach, a sprawność jest również niska. Należy do przyszłej alternatywy; wirnik silnika indukcyjnego ma zużycie miedzi po stronie wtórnej, poważne wytwarzanie ciepła, niską wydajność i dużą objętość i często nadaje się do stosowania w samochodach osobowych, które nie wymagają ścisłych wymagań dotyczących objętości; Układ silnika synchronicznego wzbudzenia elektrycznego ma duże rozmiary, a elektryczne szczotkowane pierścienie ślizgowe wymagają konserwacji i mają problemy z niezawodnością, a obecnie są rzadkością poza generatorami.
Powyższe zdjęcie jest porównaniem budowy i wydajności kilku silników wykonanych przez Departament Energii USA i Oak Ridge National Laboratory w celach informacyjnych. W przypadku mniejszych samochodów osobowych nadal głównymi silnikami są silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, aw moim kraju rezerwy materiałów z magnesami trwałymi ziem rzadkich mają wyjątkowe zalety zasobów. Jednak wraz z gwałtownym rozwojem nowych pojazdów energetycznych rośnie również entuzjazm badawczy dla nowych wysokowydajnych, tanich, bezpiecznych i niezawodnych silników.
