Особенности подбора электродвигателей для транспортных средств на электрической тяге

Подбор электродвигателя и карта эффективности

При подборе электродвигателей конструктор ориентируется на сведения из каталога производителя, в котором, как правило, содержится только информация о максимальной проектной мощности, номинальной (максимальной) частоте вращения ротора и КПД при этой скорости. Однако в действительности каждый электродвигатель характеризуется картой эффективности, показанной на рис. 1, которая получается расчетным методом, с использованием программ математического моделирования или при помощи комплексных испытаний двигателя с нагрузочными устройствами на базе генераторов или порошковых муфт (рис. 2).

Рис. 1. Карта эффективности электродвигателя

Построение карты эффективности имеет существенное преимущество — это отображение КПД двигателя на каждом режиме эксплуатации: скорости вращения и нагрузки, испытываемой валом.

Рис. 2. Нагрузочный стенд компании ООО «Мотохром» для испытания двигателей мощностью до 1,5 кВт

С учетом темпов развития транспорта на электрической тяге предъявляются повышенные требования к гибкому режиму работы их электродвигателей, в отличие от их использования до настоящего момента, как правило, в «вентиляторном» варианте (в том числе для привода насосов), когда мотор работает при одной определенной нагрузке и скорости вращения.

Электродвигатель для электротранспорта характеризуется:

• Эксплуатацией в широком диапазоне частот вращения и нагрузки: езда с разной скоростью, езда в горку/с горки, по разным дорожным покрытиям.
• Требованиями к высокому КПД, который напрямую определяет важнейшую характеристику транспорта — запас хода между полными зарядами аккумуляторов.
• Работой в паре с ведущим рабочим узлом (пропеллером/крыльчаткой/колесом), который также имеет свою зависимость «скорость–КПД».
• Эксплуатацией от аккумуляторной батареи, напряжение которой падает при разрядке и под высокой нагрузкой, что приводит к снижению максимальной скорости работы двигателя и возрастанию рабочих токов.
• Снижением максимальных рабочих оборотов двигателя под нагрузкой.

Таким образом, при создании современных электротранспортных средств, для качественной разработки или подбора двигателя, необходимо иметь его карту эффективности. Карта понадобится и при проектировании движителя, о чем будет рассказано в следующем разделе.

Подбор движителя

Помимо электродвигателя, собственный КПД, зависящий от скорости вращения и нагрузки, имеет и движитель: колесо, подводный гребной винт, авиационный пропеллер.

Если зависимость КПД колеса от скорости носит линейный характер и связана только с трением качения (формой протектора, степенью упругости покрышки и весом пассажира), то винты, работающие в воде или воздухе, имеют сложные зависимости. Рассмотрим кривую «скорость-тяга-сопротивление» для гребного винта китайской компании Kenzen (рис. 3).

Рис. 3. Кривые зависимости «скорость-тяга-сопротивление» для гребных винтов с разным шагом от компании Kenzen

На представленном графике показаны кривые создаваемой тяги и потребляемой мощности для разных скоростей вращения. Видно, что данный винт имеет лучшие удельные характеристики работы на участке скоростей вращения 2000–4000 об/мин с оптимумом при 3000 об/мин (где достигается наилучшее соотношение создаваемой тяги к потребляемой мощности).

Пересчет потребляемой винтом мощности в крутящий момент, передаваемый на вал двигателя, проводится на основе известной формулы P = MN/9,55. Аналогичные зависимости строятся и для авиационных пропеллеров. Совмещая карту эффективности электродвигателя (см. вертикальную ось «Нагрузка на вал» карты эффективности двигателя, рис. 1) с рабочей кривой движителя, можно получить величину эффективности тягового узла, которая может выражаться в «грамм тяги/Вт», «литр/Вт» (перекачиваемой жидкости), «км/ч/Вт».

Рис. 4. Пропеллер для коаксиального спаренного электродвигателя «Дрозд» (ООО «Мотохром») по заказу ООО «Авиановации»

Одной из компаний, работающих в этой сфере, является ООО «Мотохром», которое занимается изготовлением как электродвигателей, так и движителей (рис. 4, 5).

Рис. 5. Гребной винт для подводного электродвигателя Vortex (ООО «Мотохром»)

Подбор движителя осложняется тем, что частота вращения ротора при заданном уровне напряжения питания и скважности проседает под нагрузкой. Если двигатель работает в сенсорном режиме (с датчиками положения ротора), а напряжение на регулятор подается с запасом, то скорость вращения ротора будет поддерживаться на установленном настройками или оператором уровне.

Если же двигатель работает без датчиков положения ротора, а контроллер подает питание с минимальной скважностью (для большинства контроллеров это 95% полноты заполнения широтно-импульсной модуляции), то с ростом нагрузки частота вращения ротора будет падать и при максимальном моменте снижаться до двух раз. Рассмотрим кривую зависимости «нагрузка — скорость вращения ротора» опытного двигателя «Мотохром» МХКБ.11.3.02 (рис. 6).

Рис. 6. График падения частоты вращения ротора под нагрузкой

При верификации рабочих кривых движителей сначала на нагрузочном стенде определяются карты КПД электродвигателей, которые при определении удельной тяги винтов позволяют вычислить фактическую (механическую) мощность на основе КПД и потребляемой мощности, определяемой по вольтметру и амперметру (рис. 7).

Рис. 7. Результаты испытаний работы двигателя с опытным пропеллером

При более тонком проектировании системы «АКБ–электродвигатель-движитель» учитывается и просадка напряжения аккумуляторной батареи, однако, как правило, достаточно подобрать двигатель таким образом, чтобы напряжение питания при максимальной рабочей скорости было меньше напряжения АКБ с учетом просадки. А выравнивание напряжения при полностью заряженной аккумуляторной батарее будет осуществляться при помощи регулятора (контроллера).

Выводы

При проектировании современных образцов электротранспорта для подбора электродвигателя среди готовых решений требуется рассматривать карту эффективности мотора, кривую изменения оборотов под нагрузкой, а также характеристики: КПД, обороты, сопротивления рабочего движителя. В случае когда готовое решение подобрать не удается (не устраивают габариты, масса, избыточная мощность или не подходят обороты), возможно заказное изготовление электродвигателя с заданными характеристиками.