Интеллектуальная система Exro оптимизирует работу электродвигателя как по крутящему моменту, так и по скорости в зависимости от режимов работы электрокара.

Экологичные автомобили, будь-то «чистые» электромобили или плагин-гибриды объединяет наличие электродвигателя, в качестве основной движущей силы.

 

Работа современного электрического двигателя основана на принципе электромагнитной индукции, в базе которого лежит выработка электродвижущей силы в замкнутом контуре с изменением магнитного потока. Технология не нова, однако современные достижения науки и техники позволили развить ее до невероятных высот. Немалую роль в этом сыграла и возросшая в десятки раз мощность и емкость аккумуляторных батарей.

 

В будущем, электродвигатели будут продолжать совершенствоваться в производительности и эффективности. Наверняка исследователи будут искать магниты, изготовленные с использованием более дешевых и редкоземельных элементов, как это недавно сделала Honda в проекте разработки Daido Steel. Их неодимовый магнит не содержит тяжелых редкоземельных материалов, но все еще достаточно мощный для использования в транспортных средствах.

Скорости двигателя также повысятся: в настоящее время они варьируются примерно от 12 000 до 18 000 оборотов в минуту, но исследователи разрабатывают двигатели, которые могут развивать скорость до 30 000 об/мин, с тем преимуществом, что меньший, более легкий двигатель может выполнять работу большего, который вращается медленнее. Также ведутся поисковые работы по улучшению управления температурным режимом, что еще больше повысит эффективность, и будут совершенно новые конструкции двигателей, такие как сверхлегкие моторы с колесными ступицами.

 

Тем не менее, нельзя со 100% уверенностью утверждать, что все электродвигатели одинаковы. Многие ошибочно считают электродвигатель довольно простой установкой. Однако стоит, к примеру, учитывать их характеристики и тот факт, что в отличии от ДВС, у электрического двигателя практически 90% КПД выделяемой энергии идет на создание крутящего момента. Высокую мощность необходимо рационально использовать.

 

  Работа современного электродвигателя основана на давно известном принципе электромагнитной индукции. Традиционно агрегат состоит из недвижимого элемента – статора, и крутящегося – ротора. Статор имеет ряд обмоток, на которые поступает электрический ток, что приводит к появлению магнитного поля, при котором ротор начинает свое движение. Скоростные показатели ротора определяются частотой, с которой происходит переключение тока с одной обмотки статора на другую.

Сам электродвигатель, это достаточно совершенное устройство, апгрейд которого происходит исключительно в зависимости от потенциала использования. Ближайшие тенденции по улучшению электродвигателя направлены в сторону уменьшения размеров и массы, с сохранением и увеличением производительности.

 

Для получения высоких показателей – жесткие требования

Основными требованиями, предъявляемыми к электрическим двигателям электрокаров являются: высокая мгновенная мощность и высокая плотность мощности; высокий крутящий момент на низких скоростях для старта и набора скорости, а также высокая мощность на высокой скорости для крейсерского движения; очень широкий диапазон скоростей, включая области постоянного крутящего момента и постоянной мощности; быстрый отклик крутящего момента; высокая эффективность в широком диапазоне скоростей и крутящего момента; высокая эффективность рекуперативного торможения; высокая надежность и надежность для различных условий эксплуатации автомобиля; и разумная стоимость.

 

Кроме того, в случае неисправной работы, электрический двигатель должен быть отказоустойчивым. Наконец, с промышленной точки зрения, дополнительным критерием выбора является степень приемлемости на рынке для каждого типа двигателя, которая тесно связана со сравнительной доступностью и стоимостью связанной с ним технологии преобразования мощности

 

Универсальный – не значит лучший

Универсальные устройства, хорошо работающие во всех случаях, создать достаточно сложно. Когда инженеры проектируют электродвигатель для конкретного применения, он оптимизируется для создания наибольшего крутящего момента или скорости, поскольку эти два фактора часто взаимоисключающие.

Это не проблема, если двигатель работает постоянно при стабильной нагрузке или скорости. Но если режим работы постоянно изменяется, что характерно для электромобилей, и периодически требуется либо большой крутящий момент, например, для разгона или преодоления перегрузок либо высокая скорость при легких условиях движения, то выдвигаются особые требования.

 

Обычные решения - добавить коробку передач или использовать несколько двигателей, которые увеличивают стоимость, сложность и вес автомобиля (в Tesla Model 3 используется полный привод с двумя двигателями - один двигатель для высокого крутящего момента, а другой для скорости). В качестве альтернативы, инженеры часто идут на компромисс и проектируют двигатель для получения средних показателей, как по крутящему моменту, так и по скорости, допуская неэффективную работу на всех режимах, кроме ограниченного диапазона работы двигателя.

 

Действительно, в области постоянного крутящего момента электродвигатель прикладывает постоянный крутящий момент (номинальный крутящий момент) во всем диапазоне скоростей, пока номинальная скорость не будет достигнута. Помимо номинальной скорости двигателя, крутящий момент будет пропорционально уменьшаться со скоростью, что приводит к постоянной мощности (номинальной мощности). Область постоянной мощности в конечном итоге ухудшается на высоких скоростях, при которых крутящий момент уменьшается пропорционально квадрату скорости. Эта характеристика соответствует профилю тягового усилия в зависимости от скорости на ведущих колесах. По сути, для источника питания с заданной номинальной мощностью профиль тягового усилия в зависимости от скорости должен быть постоянным.

Для того, чтобы добиться высокого пускового момента от легко упаковываемых двигателей малого диаметра, большинство из них используют редукторы.

 

Такие компании, как инжиниринговая фирма GKN и известный производитель трансмиссий ZF, уже усердно работают над тем, чтобы сделать это реальностью. Используя трансмиссию, такую как eTwinsterX от GKN, электромобиль оснащен вторичным передаточным числом. Используя второе пониженное отношение, диапазон эффективности транспортного средства эффективно расширяется, что означает, что он смещает максимальную скорость транспортного средства выше, без необходимости вращения электродвигателя с большей частотой или не используя больше электричества.

 

Это связано с тем, что двигатель вращается с более низкими оборотами, уменьшая количество тока, необходимого для привода двигателя при движении с заданной скоростью, и значительно увеличивая диапазон, поддерживая области эффективности «в идеальном месте» в течение более длительных периодов времени. Используя тщательно рассчитанные передаточные числа, производитель может максимизировать эффективность для электромобиля без использования трансмиссии для переключения передач. К сожалению, это также приводит к снижению общей максимальной скорости автомобиля, чтобы компенсировать равномерно распределенную мощность. Но в целом эти редукторы тяжелые, сложные и дорогие - и потенциально возникает желание создать электродвигатель, способный выполнять заданные функции без редуктора.

 

Новый малый шаг к решению глобальных задач

 

Команда из Техаса Exro Technologies изобрела новый тип электродвигателя, который может радикально упростить электрическую трансмиссию,

 

обеспечивая при этом большую эффективность, крутящий момент, мощность и диапазон бонусов. Теоретически, меньшее количество движущихся частей в автомобиле означает большую эффективность.

 

Теперь производители нашли способ сделать эти электродвигатели еще более эффективными и привлекательными, улучшив диапазон и полезную мощность электромобилей Запатентованная технология Exro, которая применима как к двигателям, так и к генераторам, эффективно обеспечивает две машины в одной - двигатель с высоким крутящим моментом и двигатель с высокой скоростью.

В этом методе используется комбинация схем переключения и микроконтроллера, на котором работает алгоритм динамического управления мощностью, чтобы определить оптимальную конфигурацию катушек, необходимую для получения желаемого профиля скорости и крутящего момента. Exro называет его «приводом катушки» и говорит, что «он позволяет два отдельных профиля крутящего момента в данном двигателе. Первый откалиброван для низкой скорости и высокого крутящего момента, а второй обеспечивает расширенную работу на высокой скорости. Возможность изменения конфигурации позволяет оптимизировать эффективность для каждого режима работы, что приводит к общему снижению энергопотребления.

 

В стандартном двигателе каждая пара полюсов имеет катушку, и когда эта пара находится под напряжением, магнитное поле вращает ротор. Exro берет каждую катушку и разбивает ее на две или более катушок. Коммутационная схема размещает катушки последовательно, параллельно или в комбинации, в зависимости от требований нагрузки и скорости в данный момент.

 

Когда катушки соединены последовательно, двигатель генерирует высокий крутящий момент на низких скоростях. Параллельно, более низкая индуктивность уменьшает реактивное сопротивление и полное сопротивление статора, и с меньшим падением напряжения на статоре, большее напряжение доступно для ускорения привода машины при более высоком крутящем моменте, как видно из профиля крутящего момента ниже.

 

Эти электронные коробки передач могут быть применены к новым конструкциям двигателей или модернизированы для существующих двигателей. Это совершенно не меняет основополагающую конструкцию двигателя - во многих случаях требуется перемонтировать обмотки. Фактически, в конце 2019 года Exro выпустила свое первое доказательство концепции - модификацию для электронных велосипедов Motorino. Это было довольно легко дооснастить, так как у оригинального двигателя нужно было заменить только проводку катушки. Результатом модернизации стало увеличение крутящего момента и ускорения на 25 процентов.

 

Exro недавно согласилась сотрудничать с Zero Motorcycles для внедрения технологии переключения катушек в электродвигатели Zero. Кроме того, Exro сотрудничает с SEA Electric в производстве передовых силовых агрегатов для грузовых фургонов и грузовых автомобилей большой грузоподъемности, с Aurora Powertrains для улучшения двигателей своих электрических снегоходов и с Clean Seed для разработки электрического сельскохозяйственного оборудования.

 

Конструкция масштабируема и может применяться к двигателям в таких устройствах, как скейтборды, велосипеды, мотоциклы, автомобили, грузовики и автобусы, а также промышленное оборудование.

Предложенная система работает как для двигателей, так и для генераторов, является двойным выигрышем для диапазона электромобилей (EV), поскольку повышает КПД двигателя (таким образом, используя меньше энергии на единицу расстояния) и увеличивает возврат энергии во время рекуперативного торможения.