Секрет успеха новых технологий синхронных двигателей электрокаров
В Tesla Model Y, как и в Model 3, используется синхронный двигатель для задних колес, которые являются основными ведущими колесами, а для передних — асинхронный двигатель.
Асинхронный двигатель переменного тока (изобретение самого Николы Теслы) не требует постоянных магнитов. Вместо этого магнитное поле создается током, который протекает через обмотки в статоре.
Но если применить ротор с постоянными магнитами, то больше не нужно индуктировать ток для создания магнитного поля в роторе. Это позволяет избежать потерь и тепловыделения в роторе. Поэтому двигатели с постоянными магнитами в настоящее время являются самыми маленькими и легкими электродвигателями. Так как ротор уже намагничен, он всегда синхронизирован с вращающимся магнитным полем. Вот почему двигатели с постоянными магнитами также относятся к синхронным двигателям.
В большинстве приводных двигателей электромобилей (EV) и гибридных транспортных средств (HEV) используются синхронные двигатели с постоянными магнитами. Раньше Tesla всегда использовала асинхронные двигатели, но теперь также использует синхронные двигатели с постоянными магнитами.
Асинхронные и синхронные двигатели вращаются за счет силы взаимодействия магнитного поля статора и магнитного поля ротора. Статор отвечает за создание вращающегося магнитного поля, взаимодействующего с магнитным полем ротора.
Магнитное поле ротора может быть создано разными способами: в двигателях постоянного тока используются катушки под напряжением, в асинхронных двигателях переменного тока — короткозамкнутые роторы, а в синхронных двигателях переменного тока — постоянные магниты.
Обычные постоянные магниты недостаточно сильны. Хотя их также можно использовать в роторах двигателей, они обладают слабой движущей силой и не подходят для приводных двигателей автомобилей. Но в 1980-х гг. появились супермагниты NdFeB, магнетизм которых был очень сильным. Так, большие неодимовые железо-борные магниты один человек способен был переносить только по отдельности — по одному. Если бы он случайно приблизился к другому магниту, силы притяжения было бы достаточно, чтобы сломать кости руки рабочего.
Однако стоимость магнитов NdFeB высока, и они боятся высоких температурных потерь. Чтобы улучшить их температурные характеристики, добавляют редкоземельный «диспрозий», но стоимость магнита еще больше повысилась.
Очень важным параметром синхронного двигателя является угол между магнитным полем статора и магнитным полем ротора, как показано на рисунке для углов оси N и оси S. Когда угол составляет 45 градусов (механический угол), сила тяги (или вращающий момент) является наибольшим.
Следовательно, для того чтобы синхронный двигатель мог получить максимальный крутящий момент, необходимо управлять вращающимся магнитным полем статора так, чтобы оно всегда двигалось на 45 градусов перед магнитным полем ротора. Это управление непростое и требует большого количества схемотехнических решений. Необходимо постоянно определять угол и скорость ротора, а затем рассчитывать напряжение, ток и фазу трехфазного электричества, которое генерирует вращающееся магнитное поле.
Продолжение статьи читайте в ноябрьском номере журнала "Наука и техника" за 2021 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.
