Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного в электромобилях

Электрические двигатели могут быть разными. И если в случае с ДВС определяющим является тип топлива, то в электромоторах на первый план выходит то, как именно создается крутящий момент. В большинстве современных электромобилей установлен один из двух видов двигателя: асинхронный или синхронный. Они влияют на характеристики и цену автомобиля, имеют разный КПД и обладают разным ресурсом. Объясним принцип работы обоих двигателей простыми словами, а затем сравним их плюсы и минусы.

Содержание

• Асинхронный двигатель (ASM)

• Синхронный двигатель

• Недостатки и преимущества синхронных и асинхронных двигателей

• Заключение

Асинхронный двигатель (ASM)

Этот тип мотора был разработан практически одновременно Николой Теслой и Галилео Феррарисом. Первым запатентовать его успел Тесла в 1888 году. После этого асинхронный двигатель начал закрепляться в промышленности и быту. Сейчас большое количество техники работает с использованием именно такого мотора. Его можно встретить в насосах, блендерах, холодильниках, вентиляторах и т. д.

Асинхронный электромотор в случае применения в электромобиле устанавливается не под капотом, а непосредственно на оси (передней, задней, обеих). В таком двигателе есть два основных компонента: динамичный ротор и неподвижный статор, в который входят сердечник, обмотка и корпус.

Опишем принцип работы: от батареи подается постоянный электрический ток, который в инверторе преобразуется в переменный и поступает к электродвигателю. Ток проходит через обмотку статора, благодаря чему создается магнитное поле, в котором начинает вращаться большой магнит — ротор. Именно он приводит в движение колеса автомобиля. Чем больше витков в обмотке статора, тем выше скорость вращения ротора.

Главная особенность асинхронного двигателя — ротор и магнитное поле статора вращаются с разной скоростью (именно из-за этого устройство получило свое название). Первый из них всегда медленнее. Разницу между скоростями называют «скольжением». Чем оно выше, тем больший крутящий момент способен развить мотор.

Эти двигатели достаточно просты по конструкции и способны работать длительное время без ремонта и поломок. Они отлично справляются с приведением в движение переднеприводных электромобилей. Один из недостатков таких моторов — относительно невысокий крутящий момент по сравнению с электрическими альтернативами. 

Синхронный двигатель

Главное различие синхронных и асинхронных двигателей заключается в скоростях вращения магнитного поля статора и ротора. В синхронных устройствах они совпадают. При этом добиться одинаковой частоты можно разными способами, которые являются базой для создания двух видов электромоторов.

PSM (синхронный двигатель с постоянным возбуждением). В таких устройствах используются постоянные магниты, которые создают магнитное поле в роторе. Благодаря такому технологическому решению удается уменьшить размеры двигателя и не терять в мощности. Компактность позволяет применять синхронные агрегаты не только в полностью электрических транспортных средствах, но и в гибридах, где очень мало свободного места из-за наличия ДВС, коробки передач и т. д. В синхронном электродвигателе нет «скольжения», что позволяет достичь высокой эффективности даже при небольшой нагрузке. У таких моторов отличные показатели мощности и КПД вплоть до 94%. У них простая конструкция, в которой нет расходуемых элементов (щеток, обмоток, скользящих контактов), которые требуют замены или обслуживания. Синхронные двигатели тише асинхронных, они обеспечивают быстрый набор крутящего момента после запуска и облегчают управление автомобилем. Вариант электродвигателя с постоянным возбуждением является весьма эффективным решением и из-за этого он используется зачастую в премиальных автомобилях, например, в Zeekr 001. А кроме того такой мотор установлен в Geely EX5.

EESM (синхронный электродвигатель с внешним возбуждением). Это сложный с технической точки зрения вариант мотора, поскольку у таких устройств появляются дополнительные элементы. В роторе нет постоянных магнитов, вместо них используются медные обмотки и стальной магнитопровод, с которыми агрегат не уступает по эффективности PSM. Магнитное поле создается не через индуцированное напряжение, как в асинхронных двигателях, а за счет щеток. Они скользят по кольцам и подают напряжение для раскручивания ротора. Благодаря использованию этих элементов появляется возможность точно регулировать электроток на роторе и его намагниченность — это плюс. Однако он влечет за собой недостаток — усложняется конструкция, а соответственно, стоимость владения автомобилем. Например, щетки подвержены износу, и их необходимо периодически менять на новые. Двигатели EESM характеризуются высоким КПД — до 93%. Из-за своей легкой управляемости и эффективности такие электромоторы являются очень перспективными.

Недостатки и преимущества синхронных и асинхронных двигателей

Разберем плюсы и минусы разных вариантов электромоторов, чтобы наглядно показать их разницу.

Асинхронные

+ Надежность и очень большой ресурс. В них практически нет изнашивающихся элементов.
+ Доступность. В производстве не используются редкоземельные элементы, которые сильно увеличивают стоимость двигателя.
+ Проверенность временем. Эти моторы разработаны давно и доказали свою эффективность.
+ Возможность мгновенно обесточить двигатель. При экстренной ситуации можно сразу прекратить подачу к нему энергии.

- Меньшая эффективность. При низких нагрузках они проигрывают синхронным двигателям. Например, при пуске они дают меньший крутящий момент.
- Большое потребление электроэнергии. Разница с синхронными аналогами небольшая, но все же присутствует.
- Большая масса и габариты. Размеры синхронных двигателей обычно меньше.

Синхронные с постоянным возбуждением

+ Высокая эффективность. По сравнению с асинхронными аналогами эти двигатели показывают более высокий КПД.
+ Малые габариты. Наличие постоянных магнитов в роторе позволяет уменьшить размер конструкции.
+ Высокоэффективный режим рекуперации энергии. Он позволяет более экономно расходовать заряд батареи.
+ Отсутствие потерь мощности при частичной нагрузке. Такие двигатели хорошо подходят для эксплуатации на средних расстояниях и в городе.

- Высокая цена. Необходимость использовать редкоземельные материалы приводит к росту стоимости производства и ограничивает последующие продажи.
- Проблемы с доступностью. Не все производители могут разрабатывать и создавать такие двигатели из-за дефицита материалов.
- Энергопотери. При холостом ходе такие двигатели теряют мощность из-за возрастающего сопротивления.
- Невозможность мгновенно обесточить. В случае проблем двигатель не получится отключить от батареи сразу.

Синхронные с внешним возбуждением

+ Высокая эффективность. Эти двигатели обладают более высоким КПД, чем асинхронные, но они немного уступают моторам с постоянным возбуждением.
+ Доступность. Производство таких моторов выгоднее для производителя, потому что в них не используются редкоземельные материалы.
+ Вариативность. Есть возможность регулировать ток мотора.

- Обслуживаемая концепция. В отличие от других рассмотренных двигателей токосъемные щетки нуждаются в периодической замене. Значит, владельцу придется нести дополнительные расходы.
- Большие размеры. По сравнению с концепцией PSM у EESM большие габариты из-за наличия дополнительных элементов.
- Сложность. Большое количество компонентов приводит к усложнению конструкции и повышению стоимости производства.

Заключение

• Электродвигатели можно разделить по особенностям их работы на синхронные и асинхронные.
• Оба вида состоят из подвижного ротора и неподвижного статора. Однако в синхронном двигателе магнитное поле статора и ротора вращаются с одинаковой скоростью, а в асинхронном ротор всегда медленнее.
• В зависимости от конструкции синхронные электромоторы делятся на варианты с постоянным и внешним возбуждением.
• Преимущество асинхронных двигателей в их относительной простоте, надежности и долговечности. Недостаток — большие габариты.
• Плюс всех синхронных двигателей — высокий КПД. Минус — их производство требует больших затрат по сравнению с асинхронными.