_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
Маховичные накопители кинетической энергии в современных гибридах используются, главным образом, в качестве рекуператоров кинетической энергии торможения (англ. kinetic energy recovery system, KERS 1 ) , т.е. в качестве «динамического» энергопривода в составе гибридного привода. Величина кинетической энергии вращающегося маховика E f , Дж, определяется выражением 𝐸 𝑓 = 1 2 ∙ 𝐽 𝑓 ∙ 𝜔 𝑓 2 , (9) где J f – момент инерции маховика, (кг·м 2 )/с; ω f – угловая скорость маховика, с -1 Из данного выражения видно, что увеличение частоты вращения маховика – ключевая технология для снижения его массы и габаритов. В настоящее время в конструкции гибридных автомобилей используются относительно лёгкие маховики, массой в десятки килограмм, изготовленные из особо прочных композитных материалов, и рабочей частотой вращения в десятки тысяч оборотов в минуту 2 Расположен такой маховик внутри герметичного корпуса в вакууме на специальных электромагнитных подшипниках. Маховичные KERS могут выполняться в исключительно механическом исполнении или в виде электромеханических устройств. Механический маховичный KERS подключается к трансмиссии через несколько зубчатых передач с фиксированным передаточным числом, сцепление и тороидальный бесступенчатый вариатор (рис. 51). Такие конструкции могут размещаться как на дифференциале, так и на коробке передач. Бесступенчатый тороидальный вариатор имеет КПД до 95% и позволяет плавно изменять передаточное число от 1:1 до 1:6. Совместно 1 Кроме маховичных KERS существуют конструкции с использованием энергии ленточной пружины (как в рулетке или в старых «заводных» игрушках). Однако широкого применения в автомобилестроении такие системы не получили. 2 До 64500 об/мин. 228 с несколькими зубчатыми парами он обеспечивает согласование частот вращения маховика и приводного вала. Многодисковое сцепление обеспечивает плавное подключение и отключение маховика от ведущей оси. Рис. 51. Схема механической маховичной KERS с приводом от задней оси автомобиля Электромеханические маховичные KERS устанавливаются на электромобилях или электрогибридах, т.к. они оснащены подсистемой хранения и использования электрической энергии (рис. 52). Они менее эффективны, чем чисто механические, но не требуют сложного механического привода. В качестве электрической машины используются бесщёточные мотор/генераторы с постоянными магнитами в роторе или с переменным магнитным сопротивлением ротора. Преимущество таких машин не только в отсутствии необходимости подавать электрический ток на вращающийся с огромной частотой вращения ротор, но и в отсутствии необходимости охлаждать ротор, что в условиях вакуума представляет трудновыполнимую задачу. Электромеханические маховичные KERS значительно эффективнее и долговечнее, чем обычные аккумуляторы, однако конкурируют по этим показателям с ёмкостными накопителями электроэнергии. 229 Рис. 52. Схема электромеханической маховичной KERS Система рекуперации кинетической энергии, основанная на маховиках, представляется довольно перспективной, поскольку задействует в два раза больше энергии торможения по сравнению с электрической системой рекуперации, т.к. вид энергии во время запасания и применения не изменяется. Кроме того, современные ультраскоростные маховики характеризуются высокими значениями удельной энергии (10…1000 Вт·ч/кг) и удельной мощности (2…100 кВт/кг), быстродействия, долговечности, экономичности и экологичности. Однако, несмотря на свои преимущества, маховичные KERS имеют ряд недостатков. Во-первых, вращение маховика сопровождается возникновением гироскопического эффекта в случае изменения в пространстве оси его вращения. Гироскопические силы возникают при повороте автомобиля или при изменении его продольной оси в вертикальной плоскости (при спуске, подъёме или преодолении неровностей дороги) и могут ухудшить управляемость автомобиля. Во- вторых, поломка маховика будет сопровождаться высвобождением мощности порядка нескольких мегаватт, что может привести к серьёзным разрушениям автомобиля. Теоретически, гироскопический эффект можно устранить, используя 230 два маховика меньшего размера, вращающихся в противоположных направлениях. Однако на практике возникают вопросы взаимного согласования работы таких парных маховиков. Кроме того, итоговая удельная энергоёмкость системы KERS на двух маленьких спаренных маховиках вероятнее будет меньше, чем на одном большом. Моторы для электромобилей и электрогибридов В данном разделе под термином «электромотор» будем понимать совокупность вращающейся электрической машины, осуществляющей взаимные преобразования электрической и механической энергии, и контроллера, осуществляющего управление этой машиной. Принцип действия электрической машины как электромеханического преобразователя базируется на электромагнитном взаимодействии, которое осуществляется посредством электрического тока и магнитного поля. Магнитное поле может формироваться либо постоянными магнитами, либо электромагнитами. В конструкции вращающихся электрических машин выделяют ротор − вращающуюся часть, и статор − неподвижную часть, а также воздушный зазор, их разделяющий. Контроллер обеспечивает функционирование электрической машины либо в тяговом режиме, либо в генераторном режиме или в режиме электротормоза. В режиме электродвигателя он выполняет функции пуска, регулирования частоты вращения и крутящего момента, а в режиме генератора – функции регулирования напряжения и частоты. Источником электроэнергии в электромобиле является аккумуляторная батарея или топливный элемент, обеспечивающие постоянное напряжение. Поэтому в функции контроллера входит также преобразование постоянного напряжения в переменное (синусоидальное или импульсное) и обратно. Контроллеры могут быть встроенными в конструкцию электрической машины (например, щёточно-коллекторный узел можно рассматривать как простейший механический контроллер), выполняться в виде отдельного модуля или быть комбинированными. Современные контроллеры для транспортного применения выполняются на базе микропроцессорной техники и полупроводниковых элементов. 231 Моторы для ЭМ и электрогибридов могут быть разделены на две группы: коллекторные и бесколлекторные (рис. 53). Рис. 53. Классификация наиболее распространённых электромоторов для электромобилей и электрогибридов Моторы для электромобилей и электрогибридов должны обеспечивать быстрый старт и остановку, быстрый набор частоты вращения, высокий крутящий момент на малых частотах вращения, широкий диапазон изменения частоты вращения, высокую эффективность электромеханических преобразований энергии. Электромотор с переменной частотой вращения транспортного применения обычно имеет характеристику, показанную на рис. 54. В области частот вращения, меньших, чем базовая частота вращения, мотор выдаёт постоянный крутящий момент. В области частот вращения, бóльших, чем базовая частота вращения, мотор выдаёт постоянную мощность. Отношение максимальной частоты вращения к базовой частоте вращения называется скоростным фактором X. Чем больше значение скоростного фактора, тем больший крутящий момент может обеспечить электромотор данной мощности, что позволяет упростить конструкцию трансмиссии вплоть до одноступенчатого редуктора. Однако реальные конструкции электромоторов разных типов имеют ограничения по скоростному фактору, например, моторы с постоянными магнитами 232 имеют значение Х<2, моторы с переменным магнитным сопротивлением ротора могут достигать значения X>6, индукционные моторы имеют значение Х≈4. Рис. 54. Типичная характеристика электромотора с переменной частотой вращения для электромобилей На рис. 55 показана типичная характеристика эффективности электромотора с переменной частотой вращения для электромобилей. Для условий эксплуатации моторов в составе электромобиля можно выделить три характерные зоны: 1) низкая частота вращения и большая нагрузка (характерно для разгона или преодоления подъёма); 2) средние значения частоты вращения и нагрузки (характерно для равномерного движения со средними скоростями); 3) высокая частота вращения и малая нагрузка (характерно для движения с высокой скоростью под уклон). 233 Рис. 55. Типичная характеристика эффективности электромотора с переменной частотой вращения для электромобилей Для разных типов электромоторов данная характеристика имеет свои особенности как по величине максимальной эффективности, так и по относительному расположению зоны максимальной эффективности. Коллекторные моторы Коллекторные моторы в большинстве случаев представляют собой моторы постоянного тока с различными вариантами возбуждения обмоток ротора и статора. Коллекторные моторы постоянного тока состоят из ротора с расположенной на нём обмоткой и статора с размещёнными в нём постоянными магнитами или электромагнитами. Принцип действия коллекторного электромотора постоянного тока основан на взаимодействии магнитного поля и электрического тока. Когда проводник, по которому течёт электрический ток, помещают в магнитное поле, на него начинает действовать магнитная сила. Сила направлена 234 перпендикулярно проводнику и силовым линиям магнитного поля, как показано на рис. 56. Величина этой силы пропорциональна длине проводника L, силе электротока I и напряжённости магнитного поля B, т.е. FB ·I·L. (10) Когда из проводника формируют рамку (обмотку), как показано на рис. 56, магнитные силы создают крутящий момент, величину которого можно выразить как FB ·I·L·D·cosα, (11) где α – угол между плоскостью рамки и силовыми линиями магнитного поля. Рис. 56. Схема, поясняющая принцип действия коллекторного электромотора постоянного тока Магнитное поле может формироваться (возбуждаться) или постоянными магнитами, или электромагнитами. Обмотка, по которой протекает электрический ток, называется арматурой. Арматура, как правило, состоит из нескольких обмоток. Для обеспечения непрерывного вращения и максимального крутящего момента на каждую обмотку подаётся напряжение в 235 положении, когда α=0. Переключение обмоток происходит в щёточно- коллекторном узле. В моторах с электромагнитным возбуждением магнитного поля статора обмотки арматуры и обмотки электромагнита могут запитываться от одного источника (в этом случае моторы называются «с самовозбуждением») и включаться последовательно или параллельно (с шунтирующим сопротивлением) друг другу. В случае если обмотки арматуры и обмотки электромагнита статора запитываются от разных источников энергии, говорят о «принудительном возбуждении». Все эти варианты отличаются друг от друга способами (удобством) регулирования и выходными характеристиками. Щёточно-коллекторный узел, через который ток подаётся на обмотку ротора, является слабым местом таких моторов, делая их менее надёжными и требующими периодического технического обслуживания. Кроме того, такие моторы характеризуются низкой удельной мощностью. Тем не менее, благодаря отлаженной технологии производства и простому управлению, коллекторные моторы широко используются в электроприводе АТС. Бесколлекторные моторы К преимуществам бесколлекторных моторов относятся: высокая удельная мощность, высокая эффективность, надёжность и отсутствие необходимости обслуживания, низкая операционная стоимость. Индукционные моторы Индукционный (асинхронный) мотор состоит из обмоток, расположенных как на роторе, так и на статоре. Напряжение, подаваемое на концы обмоток статора, создаёт в них электрический ток, приводящий к появлению вокруг обмоток магнитного поля. Контроллер мотора переключает напряжение от одной обмотки к соседней по кругу, заставляя магнитное поле «вращаться». Изменяющееся магнитное поле, проходя сквозь обмотки ротора 1 , индуцирует в них электрический ток, 1 Наиболее часто обмотки ротора выполняются короткозамкнутыми, по виду напоминая «беличью клетку» или же полый цилиндр из алюминия или меди. 236 который, в свою очередь, формирует собственное магнитное поле, противодействующее магнитному потоку статора. Взаимодействие магнитных полей статора и ротора создаёт крутящий момент, приводящий ротор в движение. Чтобы в обмотке ротора возникала ЭДС, необходимо, чтобы частота вращения ротора отличалась от частоты вращения поля статора. Поэтому ротор вращается асинхронно относительно поля статора, а двигатель называется асинхронным. Относительная разность частоты вращения ротора и частоты вращения поля статора называется скольжением. Номинальное скольжение обычно составляет 2…8%. Индукционные моторы отличаются низкой стоимостью (примерно на 25% меньше, чем у синхронных моторов с постоянными магнитами [126]), высокой надёжностью и практически не требуют обслуживания. Однако традиционное управление индукционным мотором на основе изменения величины и частоты напряжения не обеспечивает ему требуемых характеристик. Только после изобретения силовой электроники с микропроцессорным управлением стало возможным реализовать т.н. «векторное» управление, решившее проблему нелинейности характеристик. Однако и после этого, индукционным моторам всё ещё присущи недостатки в виде низкого КПД при работе на малых нагрузках и ограниченного значения скоростного фактора. Это связано с тем, что магнитные поля как ротора, так и статора создаются при помощи пропускания через их обмотки электрического тока, а это сопровождается «омическими» потерями, пропорциональными квадрату тока. Синхронные моторы Принцип действия синхронного мотора основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и магнитного поля полюсов индуктора, расположенного на роторе. В качестве индуктора используются электромагниты (ток на обмотки ротора подаётся через скользящие контакты «щётка-кольцо») или постоянные магниты. Кроме того, в качестве индуктора может использоваться ротор с переменным магнитным сопротивлением. По сути, мы имеем дело с «обращённой» конструкцией коллекторного мотора, в котором функции коллектора выполняет электронный контроллер. 237 Синхронные моторы с обмоткой в роторе Синхронный электродвигатель с обмоткой в роторе имеет ряд преимуществ. Во-первых, в двигателе нет «редкоземельного» постоянного магнита. Стоимость таких магнитов очень нестабильна, часто они значительно увеличивают производственные затраты. Во-вторых, соответствующая регулировка тока возбуждения ротора позволяет сформировать «идеальную» внешнюю скоростную характеристику мотора. В-третьих, ограничение силы тока в роторе приводит к высокому КПД на режимах малой мощности, в которых электродвигатель работает большую часть времени при типичных условиях движения электромобилей в городе. Недостатком моторов с обмоткой в роторе является наличие углеродных щеток с контактными кольцами. Эти детали быстро изнашиваются и являются источником большого количества абразивной пыли внутри электродвигателя. К счастью, эту проблему можно решить с помощью вращающегося трансформатора (резольвера) для передачи мощности катушке ротора без механического контакта. Синхронные моторы с постоянными магнитами в роторе Синхронные электромоторы с постоянными магнитами в роторе называют также «бесщёточными моторами с постоянными магнитами». Бесщёточные моторы состоят из статора, в котором размещены обмотки, и ротора, в котором размещены постоянные магниты. Основное преимущество такой конструкции заключается в том, что магниты формируют своё собственное магнитное поле без необходимости пропускания через них электрического тока. При этом удаётся устранить щётки и контактные кольца, а также избавится от электрических потерь в обмотках ротора. Контроллер мотора подаёт напряжение только на обмотки статора, формируя в статоре вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем постоянных магнитов в роторе, создаёт крутящий момент, приводящий ротор в движение. Для получения наилучших характеристик здесь также используется «векторное» микропроцессорное управление. 238 В настоящее время в электромоторах используется четыре типа постоянных магнитов: 1. Сплавы ЮНДК − сплав алюминия (Al − 7…12%), никеля (Ni − 1 4…25%), кобальта (Co − 5…38%) и железа (Fe) с возможным добавлением меди (Cu − 3…4%), титана (Ti − 1…8%) и некоторых других элементов [127], [128]. Зарубежный аналог названия этих сплавов «альнико» (англ. AlNiCo) – акроним от входящих в состав элементов. 2. Керамические магниты (ферриты) с общей формулой MO·6Fe 2 O 3 , где М обычно представляет барий (Ba) или стронций (Sr). 3. Двухкомпонентные (бинарные) или трёхкомпонентные сплавы редкоземельных металлов (англ. rare-Earth, RE) и переходных металлов (англ. transition metal, TM). Из редкоземельных металлов наиболее часто используются самарий (Sm), празеодим (Pr), неодим (Nd ), церий (Ce), гадолиний (Gd) и диспрозий (Dy). Из переходных металлов используют кобальт (Co), железо (Fe), медь (Cu), цирконий (Zr ) и гафний (Hf). Существует три подгруппы подобных сплавов: RE-Co 5 , RE 2 -TM 17 и RE 2 -TM 14 -B. RE-Co 5 − это сплав редкоземельного элемента с кобальтом. При этом на один атом редкоземельного элемента приходится пять атомов кобальта, что соответствует массовой доле редкоземельного элемента 34…39%. RE 2 -TM 17 − это сплав редкоземельного элемента с металлом переходной группы, при этом на два атома редкоземельного элемента приходится 17 атомов металла переходной группы. Это соответствует массовой доле редкоземельных элементов 23…28%. RE 2 -TM 14 -B − это сплав редкоземельного элемента с металлом переходной группы (как правило – железом) и бором (B), при этом на два атома редкоземельного элемента приходится 14 атомов металла переходной группы и один атом бора. Это соответствует массовой доле редкоземельных элементов 30…35%. 4. Железо-хромо-кобальтовые сплавы с возможным добавлением ванадия (V), кремния (Si), титана (Ti), циркония (Zr), марганца (Mn), молибдена (Mo) и алюминия (Al). Сравнительные характеристики постоянных магнитов разных типов представлены в табл. 16 [128]. 239 Таблица 16 Некоторые свойства постоянных магнитов Тип магнита Остаточная намагничен- ность, мТл Коэрци- тивная сила, кА/м Плот- ность, г/см 3 Темпе- ратура Кюри, °С Макс. рабочая темпера- тура, °С Al Ni Co Fe 720…1350 37…151 7,3 860 500 Ферриты 230…400 150…290 4,9 450 200 RE-Co 5 830...950 600…720 8,4 750 300 RE 2 -TM 17 1000…1160 480…840 8,4 825 350 RE 2 -TM 14 - В 1000…1410 760…1030 7,4 310 150 Fe Cr Co 880…1400 16…51 7,7 640 500 Примечания. 1) Остаточная намагниченность − намагниченность, которую имеет ферромагнитный материал при напряжённости внешнего магнитного поля, равного нулю. 2) Коэрцитивная сила − это значение напряжённости магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферромагнитного вещества. Чем большей коэрцитивной силой обладает магнит, тем он устойчивее к размагничивающим факторам. 3) При температуре Кюри интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его намагниченности, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Производят электромоторы с постоянными магнитами, расположенными по периферии ротора и внутри ротора (рис. 57). Использование электродвигателей с периферийным расположением магнитов обеспечивает большую мощность на высоких оборотах, в то время как внутреннее расположение постоянных магнитов в роторе формирует высокий крутящий момент при низких оборотах, тем самым увеличивая значение скоростного фактора. Бесщёточные моторы с постоянными магнитами характеризуются компактностью (примерно на 37%) и меньшей массой (примерно на 30%) по сравнению с индукционными. Эти моторы характеризуются высоким КПД в области рабочих режимов, что связано с наличием постоянных магнитов, создающих магнитное поле без дополнительных затрат энергии, а также с отсутствием щёточно-коллекторного узла с присущими ему потерями на трение. 240 Рис. 57. Варианты расположения постоянных магнитов в роторе синхронных моторов переменного тока Высокий КПД характерен для всех режимов работы мотора, за исключением режимов в области малых нагрузок и высоких частот вращения, что объясняется относительно высокими магнитными потерями (магнитный поток постоянных магнитов не уменьшается, как это происходит в случае индукционного мотора или синхронного мотора с обмоткой в роторе). Поскольку в роторе не течёт электрический ток, то в нём нет тепловыделений, а значит, его не нужно охлаждать. Охлаждение же статора гораздо проще организовать. Бесщёточные моторы с постоянными магнитами надёжны и долговечны, выделяют мало шума. Однако у них есть и недостатки. Наиболее эффективные магниты из сплавов редкоземельных металлов имеют высокую стоимость. Значение скоростного фактора у таких моторов обычно не превышает двух. Поскольку постоянный магнит притягивает металлические объекты, необходима хорошая герметизация мотора для предотвращения налипания на роторе металлического «мусора». Постоянные магниты могут размагничиваться при воздействии на них сильных оппозитных магнитных полей или высокой температуры. У моторов с размещением магнитов на поверхности ротора имеются сложности по обеспечению прочности такого соединения, что приводит к необходимости ограничения частоты вращения. Наконец, при возникновении в одной из обмоток статора короткого замыкания, сопровождающегося резким увеличением тока, возникает большой крутящий момент, блокирующий вращение |