В прошлом, когда единственными доступными для тяговых приложений были свинцово-кислотные и никель-кадмиевые батареи, наименее эффективным компонентом силового агрегата электромобиля была батарея. Она отдавала обратно всего лишь 50-70% затраченных на зарядку ампер-часов (кулонометрический КПД) и выбрасывала до 50% энергии в виде тепла. Поэтому повышение КПД тягового двигателя до 85% или выше, а также контроллера двигателя до 90% или выше, не было особенно целесообразным.
Однако сейчас ситуация изменилась благодаря литий-ионным батареям, которые способны обеспечить кулонометрический КПД более 99%. В связи с этим двигатель является компонентом с наибольшими потерями в трансмиссии электромобиля.
Потери в двигателе электромобиля можно разделить на механические и электрические.
Механические потери в двигателях переменного тока вызваны трением в подшипниках и сопротивлением воздуха, называемым "windage", которое противодействует вращающемуся ротору. Чисто фрикционные потери, которые зависят от числа оборотов, составляют небольшую часть общих потерь в типичном тяговом двигателе переменного тока с постоянным магнитом или асинхронном двигателе.
Однако следует обратить внимание, что подшипники часто заполнены смазкой и могут представлять гораздо более высокие потери, которые являются скорее кубической функцией скорости, чем линейной. Это связано с тем, что для перемещения жидкости - от воздуха до смазки - требуется мощность, которая увеличивается с кубом скорости. Другими словами, с увеличением скорости требуется гораздо больше энергии для перемещения жидкости
Типичный тяговый двигатель с постоянным магнитом (ПМ) - это электродвигатель, который использует постоянные магниты для создания магнитного поля, которое взаимодействует с магнитным полем статора, создавая крутящий момент, приводящий в движение ротор. Такой тип двигателя более эффективен и компактен, поскольку ему требуется меньше энергии для получения одинаковой выходной мощности по сравнению с другими типами двигателей. Кроме того, двигатели ПМ выделяют меньше тепла, что снижает потребность в системах охлаждения.
Именно благодаря этим характеристикам двигатели ПМ являются идеальными для использования в электромобилях, лифтах, ветряных турбинах и других устройствах. Современные достижения в области магнитных материалов и производства компонентов делают двигатели ПМ экономически эффективными и жизнеспособной альтернативой традиционным двигателям. Таким образом, двигатели ПМ становятся все более распространенными и востребованными.
Следовательно, ветровое сопротивление - это перемещение воздуха любыми вращающимися компонентами в двигателе и, как правило, является одним из крупнейших источников потерь. Например, двигатель, который теряет всего 10 Вт на ветровое сопротивление при 1 000 об / мин, потеряет 80 Вт при 2 000 об / мин, 640 Вт при 4 000 об / мин, 5 120 Вт при 8 000 об / мин и т.д. Быстрое ухудшение эффективности из-за потерь на ветровое сопротивление противодействует соблазну увеличить мощность двигателя за счет повышения его оборотов.
Как и в случае с транспортным средством, уменьшение эффективной фронтальной поверхности может значительно снизить потери на ветровое сопротивление. Двигатели с гладкими роторами, такие как постоянного магнита и индукционного типа переменного тока, которые предпочитаются в электромобилях, будут иметь меньше потерь на ветровое сопротивление, чем сопоставимо крупные двигатели с обмотками в своих роторах - как, например, все типы постоянного тока и переменного тока с обмоточным ротором.
Само собой разумеется, установка вентилятора на вал или литые ребра охлаждения в конце ротора являются действительно плохой идеей в отношении потерь на ветровое сопротивление. Кроме того, так как эти методы охлаждения прямого привода обычно бесполезны в приложениях тяги, их не следует использовать в любом случае.
Электрические потери также можно разделить на две основные категории, традиционно называемые "медными" и "железными" по происхождению, даже если проводники сделаны, скажем, из алюминия, а магнитная структура / рама из стали. Медные потери включают в себя любую мощность, потребляемую для создания магнитного поля - и обратите внимание, что это включает ротор в моторе переменного тока с индукционным вращением, а также любой дополнительный ток якоря, необходимый для достижения ослабления поля в моторе переменного тока с постоянными магнитами - а также более очевидные сопротивительные потери и менее очевидные потери переменного тока (Поверхностный (Skin) и близостный (Proximity) -эффекты)
Поверхностный (Skin) и близостный (Proximity) -эффекты являются видами электрических потерь, которые возникают в проводящих материалах при прохождении через них переменного тока. В электромоторе, используемом в электромобиле, эти эффекты могут вызывать дополнительные потери энергии, что может привести к уменьшению эффективности и производительности.
Skin-эффект относится к тенденции переменного тока протекать главным образом около поверхности проводника. Это происходит потому, что магнитное поле, создаваемое током, заставляет электроны двигаться по круговой траектории, что в свою очередь создает еще одно магнитное поле, противодействующее исходному полю. В результате ток склонен концентрироваться около поверхности проводника, где он может вызывать дополнительное сопротивление и потери энергии.
Proximity-эффект похож на skin-эффект, но он возникает, когда несколько проводников, через которые протекает переменный ток, расположены близко друг к другу. Магнитные поля, создаваемые током в каждом проводнике, взаимодействуют друг с другом, заставляя ток концентрироваться во внешних слоях проводников, которые направлены друг к другу. Это может привести к дополнительному сопротивлению и потерям энергии.
В итоге, skin и proximity-эффекты - это явления, которые могут вызывать дополнительные электрические потери в проводниках, через которые проходит переменный ток в электромоторе, используемом в электромобиле.
Сопротивление, известное как потери I2R, часто преобладает в тяговых моторах, работающих при высоких токах и низких оборотах. Это приводит к низкому КПД при запуске нагрузки с мертвой точки, так как I2R не учитывает компонент напряжения, связанный с оборотами. Например, потери I2R в автомобильном двигателе при начальном ускорении могут составлять до 10 кВт из-за низких оборотов и высокого тока. Аналогичное количество потерь происходит в роторе асинхронного мотора, что может приводить к току 10 кА и более при почти полной остановке. Тем не менее, как бы драматично все это ни выглядело, питание поля в двигателях без постоянных магнитов обычно потребляет около 1% входной электрической мощности..
I
2R - это выражение, которое используется для обозначения потерь мощности, которые возникают при прохождении электрического тока через проводник сопротивления R. При этом I обозначает силу тока, протекающего через проводник, а R - его сопротивление. Потери мощности (тепловые потери) вычисляются как произведение квадрата силы тока на сопротивление проводника: I2R. Эти потери возникают из-за сопротивления проводника и могут приводить к уменьшению эффективности работы электрических систем.
При частотах от постоянного тока до света*, можно наблюдать только чисто сопротивительные потери, в то время как skin и proximity эффеты являются сопротивительными потерями, которые увеличиваются с частотой. Skin-эффект проявляется в том, что при увеличении частоты тока, он становится все более ограниченным к внешнему периметру проводника. Это происходит из-за появления маленьких петель токов, называемых вихрями, которые индуцируются переменным током, протекающим через проводник. Такие петли вихревых токов пропорциональны не только величине исходного тока, но и частоте его изменения (то есть частоте исходного тока). Эти вихревые токи противодействуют току в центре проводника и добавляют его на периферии, поэтому ток становится все более ограниченным к периферии. Например, медный проводник диаметром 11,7 мм (AWG #0000) способен выдерживать ток в 500 А при повышении температуры на 30 °C, но skin эффект начинает сокращать его эффективный диаметр (и токопроводимость) уже при частоте всего 125 Гц, или при синхронной скорости вращения 7 500 об/мин в двухполюсном АС-индукционном двигателе.
*В данном контексте это означает, что чисто сопротивительные потери происходят при низких частотах, начиная от нулевой (DC), и продолжаются до очень высоких, близких к световым волнам.
Обычным решением проблемы скин-эффекта является разделение одного большого провода на множество меньших, изолированных друг от друга, но параллельно соединенных. Однако это может привести к большим потерям от эффекта близости, который в основном аналогичен скин-эффекту, за исключением того, что он вызывается переменным током от других близлежащих проводников, индуцирующих вихревые токи. Чем больше слоев обмотки, тем выше потери от эффекта близости.
Конструкторы трансформаторов - особенно при очень высоких мощностях и/или высоких частотах - должны принимать всеобщие меры для минимизации эффекта близости, но тяговые двигатели не страдают так сильно от скин или проксимити эффектов, поскольку они обычно не работают на высоких скоростях и высоких крутящих моментах одновременно (или не на очень долгое время, пока водитель не будет остановлен за превышение скорости).
Как коротко упоминалось в отношении скин-эффекта, вихревые токи возникают потому, что любое изменяющееся магнитное поле индуцирует ток в любых близлежащих проводниках, включая исходный проводник. Более правильно говорить, что изменяющееся магнитное поле индуцирует напряжение в близлежащих проводниках (включая сам проводник), и это напряжение вызывает ток, протекающий в петле вокруг исходного проводника. Индуцированное напряжение определено для заданной дистанции разделения, площади петли и скорости изменения магнитного потока, поэтому ток, который возникает, будет обратно пропорционален сопротивлению петли и пропорционален площади петли и частоте исходного тока. Следовательно, вихревые токи выше в лучших проводниках, таких как серебро и медь, чем в более плохих проводниках, таких как электрическая сталь или феррит (который почти является изолятором). Фактически, "электрическая сталь" называется так потому, что это специально разработанный сплав железа и кремния, который максимизирует объемное сопротивление без чрезмерного ущерба для ее магнитных качеств, таких как потери гистерезиса и насыщенная плотность потока.
Абсолютное объемное сопротивление электрической стали все же довольно низкое, и хотя у феррита очень высокое сопротивление, он также имеет значительно более низкий предел насыщения (обычно 0,35 Тесла против 1,3-1,5 Тесла), поэтому использовать его в якоре двигателей нецелесообразно (если только они не работают на синхронной частоте выше, скажем, 10 кГц, что соответствует 600 тыс. об/мин [!] для двухполюсного мотора). К счастью, уменьшение площади петли полностью возможно путем простого разбиения одной монолитной конструкции на стопку ламинатов, которые изолированы друг от друга (обычно тонким лаком или окисным покрытием). Чем тоньше используются ламинаты, тем ниже потери от вихревых токов, но следует учитывать, что по мере уменьшения толщины ламинатов их изоляционное покрытие становится больше по сравнению с общей толщиной, так что существует практический предел того, насколько тонким может быть использован ламинат. В конкретных терминах, типичная толщина ламината составляет около 0,5 мм для трансформаторов или двигателей, работающих на частоте 60 Гц (или синхронной скорости 3 600 об/мин для двухполюсного AC-мотора).
Последний основной фактор потерь железа - это гистерезис, который в основном является сопротивлением изменению направления намагничивания или плотности магнитного потока. Поскольку якорь всех двигателей возбуждается переменным током - будь то поставляемым внешним инвертором или щетками и коммутатором, - его магнитная цепь многократно подвергается большим колебаниям плотности магнитного потока между противоположными полярностями. Магнитные материалы, которые выдерживают такую работу, должны быть «мягкими», то есть легко намагничиваться (низкая коэрцитивная сила), не сохраняя при этом этого магнитного момента (низкая намагниченность). Следовательно, материалы, которые сложно намагничивать (и размагничивать), относятся к классу "жестких", и они, как правило, хорошо подходят для создания постоянных магнитов. Таким образом, потери от гистерезиса - это в основном мера того, насколько мягок магнитный материал, и они сильнее всего зависят от плотности магнитного потока.
Наконец, имеются различные "случайные" потери, которые либо не кажутся четко подходящими ни к одной из вышеупомянутых категорий, либо являются более похожими на ошибки округления, чем на значительные факторы.
Самый заметный пример такой потери - это магнитные утечки, которые в основном представляют собой любой поток, который не связывает ротор и статор (что означает, что он не выполняет никакой полезной работы). Еще хуже то, что этот неподключенный поток также вычитается из эффективного переменного напряжения, возбуждающего якорь (потому что он электрически переводится в индуктивность). Последним рассматриваемым здесь механизмом потерь является общий режим, емкостно-связанный ток.
Этот ток возникает при быстром переключении фазовых выходов привода между 0 В и шинным напряжением (обычно около 350 В), что вызывает ток через любые паразитные емкости на пути. Хотя фактические потери мощности от этих токов обычно минимальны, они все же могут разрушать подшипники (через то, что на самом деле является "электроэрозионной обработкой") и повреждать изоляцию фазовых обмоток. А еще могут стать причиной неуспешного прохождения автомобилем теста на электромагнитную совместимость. Быстрое и грубое решение - замедлить скорость переключения мостовых ключей в инверторе, но это увеличивает их потери. Вот еще одна ловушка-22...
Добро пожаловать в замечательный мир инженерии!
*Выражение "Ловушка-22 (Catch-22 )" означает ситуацию, из которой нет выхода, поскольку чтобы выбраться из нее, необходимо выполнить условие, которое невозможно выполнить без предварительного выполнения другого условия, которое в свою очередь также невыполнимо. Такая ситуация является типичным примером парадокса и может быть часто встречаемой в повседневной жизни, бизнесе или политике.