У перше десятиліття XX століття 38% всіх машин в США працювали на електриці - і цей відсоток впав майже до нуля із зростанням домінування ДВС в 1920-х. Сьогоднішнє прагнення до збереження енергії і зменшення шкідливих викидів вдихнуло в електромобілі нове життя, але їх висока вартість і обмежений пробіг стримують продажу.
Велика частина спроб вирішення цих проблем пов'язана з поліпшенням батарейок. Звичайно ж, поліпшення систем зберігання електроенергії, будь то батарейки або паливні комірки, має залишатися частиною будь-якої стратегії поліпшення електромобілів, але потенціал для поліпшення є і в іншому фундаментальному компоненті машин: в моторі. Протягом останніх чотирьох років ми працювали над новою концепцією тягового електродвигуна, що використовується в електромобілях і вантажівках. Наша остання розробка сильно покращує ефективність у порівнянні зі звичайними моделями - досить для того, щоб зробити електромобілі більш практичними і доступними.
У минулому році ми довели працездатність нашого мотора під всебічних лабораторних тестах, і хоча до розміщення його в автомобілі ще далеко, у нас є всі підстави вважати, що там він покаже себе так само добре. Наш мотор зможе збільшити пробіг сучасних електромобілів, навіть якщо ми не досягнемо ніякого прогресу в технології батарей.
Щоб зрозуміти складність нашого завдання, необхідно згадати основи схеми електромотора (ЕМ). У порівнянні з ДВС ЕМ простіше, у них всього декілька критичних компонентів. Механіка вимагає наявності корпусу. Він називається статором, оскільки не рухається. Необхідний ротор, що обертає вал і створює крутний момент. Щоб мотор працював, статор і ротор повинні взаємодіяти за допомогою магнетизму, перетворюючи електричну енергію в механічну.
Концепції моторів відрізняються саме в області магнітних інтерфейсів. У колекторних моторах постійного струму струм тече через щітки, що ковзають по колекторного вузла. Струм йде через колектор і передає енергію намотуванні на роторі. Намотуванні відштовхується постійними магнітами або електромагнітами статора. Щітки, ковзаючи по колектору, періодично змінюють напрямок струму, і магніти ротора і статора відштовхують один одного знову і знову, в результаті чого ротор обертається. Інакше кажучи, обертальний рух забезпечується постійно змінюваних магнітним полем, виробленим колектором, що з'єднує котушки з джерелом струму і циклічно змінює напрямок струму при поворотах ротора. Однак ця технологія обмежує крутний момент і страждає від зношування; вона вже не використовується в тягових ЕМ.
В сучасних електромобілях використовується змінний струм від інвертера. Тут динамічне обертове магнітне поле створюється в статорі, а не в роторі. Це дозволяє спростити схему ротора, який зазвичай складніший, ніж статор, що полегшує всі завдання, пов'язані з розробкою ЕМ.
Моторів на змінному струмі буває два види: асинхронні і синхронні. Ми сфокусуємось на синхронних, оскільки зазвичай вони краще і ефективніше працюють.
Передова система охолодження проводить рідину безпосередньо через котушку (зліва), а не через кожух мотора (праворуч)
Синхронні мотори теж бувають двох видів. Більш популярний - синхронна машина з постійними магнітами [permanent-magnet synchronous machine, PMSM], що використовує постійні магніти, вбудовані в ротор. Щоб змусити його обертатися, в статорі організовується обертове магнітне поле. Це поле виходить завдяки обмотці статора, з'єднаної з джерелом змінного струму. Під час роботи полюса постійних магнітів ротора захоплюються обертовим магнітним полем статора, що і змушує ротор обертатися.
Така схема, що використовується в Chevrolet Volt і Bolt, в BMW i3, в Nissan Leaf і безлічі інших машин, може в піку досягати ефективності в 97%. Постійні магніти зазвичай роблять з рідкоземельних елементів; яскраві приклади - дуже потужні неодимові магніти, розроблені в 1982 році General Motors і Sumitomo.
Явнополюсние синхронні електродвигуни [Salient-pole synchronous machines, SPSM)] використовують всередині ротора не постійно, а електромагніти. Полюси - це котушки у вигляді труб, спрямовані назовні, як спиці колеса. Ці електромагніти в роторі харчуються джерелом постійного струму, сполученим з ними через контактні кільця. Контактні кільця, на відміну від колектора, не змінюють напрямок струму. Північний і південний полюси ротора статичні, і щітки не зношуються так швидко. Як і у випадку з PMSM, обертання ротора відбувається через обертання магнітного поля статора.
Через необхідність живити електромагніти ротора через контактні кільця, у цих моторів зазвичай трохи нижче пікова ефективність - в діапазоні від 94 до 96%. Перевага над PMSM полягає в настраиваемости поля ротора, що дозволяє ротору більш ефективно виробляти крутний момент на великих швидкостях. Підсумкова ефективність при використанні для розгону машини зростає. Єдиний виробник таких моторів в серійних авто - це Renault з його моделями Zoe, Fluence і Kangoo.
Другий підхід до поліпшення співвідношення потужності до ваги - збільшення сили магнітного поля, що збільшує крутний момент. У цьому полягає сенс додавання залізного сердечника до котушки - хоча це збільшує вагу, але одночасно посилює щільність магнітного потоку на два порядки. Отже, практично всі сучасні ЕМ використовують залізні сердечники в статорі і роторі.
Однак, є і мінус. Коли сила поля збільшується до певної межі, залізо втрачає можливість посилення щільності потоку. На це насичення можна трохи вплинути, додаючи присадки і змінюючи процес виготовлення заліза, а й найефективніші матеріали обмежені 1,5 В * с / м 2 (вольт в секунду на квадратний метр, або тесла, Тл). Тільки дуже дорогі і рідкісні вакуумні залізно-кобальтові матеріали можуть досягати щільності магнітного потоку 2 Тл або більше.
І, нарешті, третій стандартний шлях збільшення крутного моменту - посилення поля через посилення струму, що проходить через котушки. Знову-таки, тут є свої обмеження. Збільште струм, і збільшаться втрати на опір, зменшиться ефективність і з'явиться тепло, завдало шкоди мотор. Для проводів можна використовувати метал, краще проводить струм, ніж мідь. Срібні дроти також бувають, але їх застосування в такому пристрої було б абсурдно витратним.
Єдиний практичний спосіб збільшити струм - контролювати тепло. Передові охолоджуючі рішення проводять рідина прямо поруч з котушками, а не далі від них, зовні статора.
Всі ці кроки допомагають покращувати співвідношення ваги до потужності. У гоночних електромобілях, де вартість не має значення, мотори можуть досягати 0,15 кг на кіловат, що можна порівняти з кращими ДВС з Формули 1.
Так що це і правда можна зробити, якщо вартість вас не хвилює. Головне питання - чи можна використовувати такі поліпшують ефективність технології в масовому виробництві, в машині, яку могли б купити ви? Ми створили такий мотор, так що відповідь на питання - позитивний.
Ми почали з простої ідеї. Електромотори добре працюють як в ролі моторів, так і в ролі генераторів, хоча для електромобілів така симетрія не дуже потрібна. Для автомобіля потрібен мотор, що працює краще в ролі мотора, ніж в ролі генератора - остання використовується тільки для заряду батарей при рекуперативному гальмуванні.
Щоб зрозуміти цю ідею, розглянемо роботу мотора PMSM. В такому моторі рух створюють дві сили. По-перше, сила, що виникає завдяки постійним магнітів в роторі. Коли струм йде через мідні котушки статора, вони створюють магнітне поле. Згодом ток переходить з однієї котушки в іншу і змушує магнітне поле обертатися. Обертається поле статора притягує постійні магніти ротора, і той починає рухатися. Цей принцип заснований на силі Лоренца, що впливає на рух зарядженої частинки в магнітному полі.
Але сучасні ЕМ отримують частину енергії від магнітного опору - сили, що притягає блок заліза до магніту. Обертається поле статора притягує як постійні магніти, так і залізо ротора. Сила Лоренца і магнітне опір працюють пліч-о-пліч, і - в залежності від схеми мотора - приблизно рівні один одному. Обидві сили приблизно рівні нулю, коли магнітні поля ротора і статора вирівнюються. Зі збільшенням кута між ними мотор виробляє механічну енергію.
У синхронному моторі поля статора і ротора працюють спільно, без затримок, що існують в асинхронних машинах. Поле статора знаходиться під певним кутом до поля ротора, який можна регулювати під час роботи для досягнення найбільшої ефективності. Оптимальний кут для створення обертального моменту при заданому струмі можна обчислювати заздалегідь. Потім він підлаштовується, у міру зміни струму, до силової електронній системі, що дає змінний струм на намотування статора.
Але ось, в чому проблема: при русі поля статора по відношенню до положення ротора сила Лоренца і магнітне опір то збільшуються, то зменшуються. Сила Лоренца збільшується по синусоїді, що досягає піку на 90 градусів від точки відліку (від точки, в якій поля статора і ротора вирівняні). Сила манітного опору циклічно змінюється в два рази швидше, тому досягає піку на 45 градусах.
Оскільки сили досягають максимуму в різних точках, максимальна сила мотора менше, ніж сума його частин. Припустимо, у якогось певного мотора в певний момент роботи виявляється, що оптимальним кутом для максимуму сумарної сили буде 54 градуси. В цьому випадку цей пік буде на 14% менше, ніж сумарні піки двох сил. Це найкращий з можливих компромісів даної схеми.
Якби ми могли переробити цей мотор так, щоб дві сили досягали максимуму в одній точці циклу, потужність мотора зросла б на 14% абсолютно безкоштовно. Ви б втратили тільки ефективність роботи в ролі генератора. Але ми, як буде показано далі, знайшли спосіб відновити і цю здатність, щоб мотор краще відновлював енергію при гальмуванні.
Розробка ідеально вирівнює поля мотора - справа непроста. Проблема полягає в комбінації PMSM і SPSM в нову гібридну схему. В результаті виходить гібридний синхронний мотор зі зміщеною віссю магнітного опору. По суті, цей мотор використовує як дроти, так і постійні магніти, для створення магнітного поля в роторі.
Інші намагалися працювати в цьому напрямку, а потім відкинули цю ідею - але вони хотіли використовувати постійні магніти тільки для посилення електромагнітного поля. Наша інновація полягає у використанні магнітів тільки для додання точної форми полю, щоб оптимально вирівняти дві сили - силу Лоренца і силу магнітного опору.
Основна проблема в розробці полягала в пошуку такої конструкції ротора, яка могла б міняти форму поля, залишаючись при цьому досить міцною для того, щоб обертатися на високих швидкостях, що не ламаючись при цьому. У центрі нашої схеми - багатошарова структура ротора, що несе мідну намотування на залізному осерді. Ми приклеїли постійні магніти до полюсів сердечника; додаткові шипи перешкоджають їх вильоту. Щоб все утримувалося на місці, ми застосували міцні і легкі титанові штифти, пропущені через електромагнітні полюса ротора, притягнуті гайками до кілець з нержавіючої сталі.
Ми також знайшли спосіб обійти недолік початкового мотора, зменшення крутного моменту під час роботи генератором. Тепер ми можемо змінювати напрямок поля в роторі так, що генерація під час рекуперативного гальмування працює так само ефективно, як режим мотора.
Цього ми домоглися, змінюючи напрямок струму в намотуванні ротора під час роботи в режимі генератора. Працює це таким чином. Уявіть собі первісний вигляд ротора. Якщо йти по його периметру, ви виявите певну послідовність північних і південних полюсів електромагнітних (Е) і постійних магнітних (P) джерел: NE, NP, SE, SP. Ця послідовність повторюється стільки раз, скільки в моторі пар полюсів. Змінюючи напрям струму в обмотці, ми змінюємо орієнтацію електромагнітних полюсів, і тільки їх, в результаті послідовність перетворюється в SE, NP, NE, SP.
Вивчивши ці дві послідовності, ви побачите, що друга схожа на першу, що йде задом наперед. Це означає, що ротор можна використовувати в режимі мотора (перша послідовність) або в режимі генератора (друга), коли струм в роторі змінює напрямок на протилежне. Таким чином наша машина працює більш ефективно, ніж звичайні мотори, як в ролі мотора, так і в ролі генератора. На нашому прототипі зміна напрямку струму займає не більше 70 мс, що досить швидко для автомобілів.
У минулому році ми побудували прототип мотора на верстаті і піддали його ретельних перевірок. Результати зрозумілі: при тій же самій силовий електроніці, параметрах статора та інші обмеження звичайного мотора, машина здатна видавати майже на 6% більше крутного моменту і на 2% більше ефективності в піке. У циклі їзди результати ще краще: їй потрібно на 4,4% менше енергії. Це означає, що машина, що проїжджає на одній зарядці 100 км, проїхала б з цим мотором 104,4 км. Додаткові кілометри дістаються нам майже задарма, оскільки в нашій схемі є лише кілька додаткових частин, помітно менше дорогих, ніж додаткові батарейки.
Ми зв'язалися з декількома виробниками обладнання, і вони знайшли нашу концепцію цікавою, хоча пройде ще багато часу до того, як ви побачите один з таких асиметричних моторів в серійному автомобілі. Але з'явившись, в результаті він стане новим стандартом, оскільки витяг всієї можливої користі з наявної у вас енергії коштує в пріоритеті як для автовиробників, так і для всього нашого суспільства.