Тяговые электродвигатели: новые стандарты в электрифицированном транспорте

Тяговые электродвигатели становятся всё более актуальными благодаря значительному росту числа электромобилей и гибридных транспортных средств. Хотя обычный электродвигатель и тяговый двигатель работают по одним и тем же базовым принципам, последние специально сконструированы для приведения в движение самых разных транспортных средств – от небольших тележек до локомотивов и даже самолётов. Некоторые электромобили могут использовать два, три или четыре тяговых двигателя.

Такие применения требуют двигателя, способного обеспечивать и высокий крутящий момент на низких оборотах, и — наоборот — низкий крутящий момент при высоких оборотах, а также справляться с частыми циклами «старт-стоп». Для работы в столь сложных режимах необходим двигатель, созданный принципиально иначе.

Тяговые электродвигатели: оптимизированы для крутящего момента

Тяговые двигатели работают по тем же базовым принципам, что и стандартные электродвигатели переменного или постоянного тока — одни из самых распространённых в промышленности и быту. Электрический ток подаётся на медные обмотки статора, что создаёт электромагнитное поле, индуцирующее вращение ротора.

Однако в конструкции тяговых двигателей имеются существенные особенности по сравнению с обычными моделями. Так, поскольку именно тяговым двигателям поручено приводить транспортное средство в движение с места, их конструкция акцентируется на обеспечении высокого крутящего момента в широком диапазоне оборотов. Увеличение числа обмоток порождает дополнительные полюса в двигателе, что позволяет создавать более мощное магнитное поле и работать на более низких оборотах. Оптимизацию крутящего момента можно достичь и за счёт подбора материалов — более прочные постоянные магниты в роторе дают более сильный отклик на создаваемое магнитное поле.

Инженеры, особенно те, кто занимается разработкой тяговых двигателей для электромобилей, где критически важна плотность мощности, также уделяют внимание повышению эффективности схемотехнических решений. Это необходимо для того, чтобы максимальное количество электроэнергии, подаваемой на двигатель, превращалось в кинетическую энергию. Одним из методов является внедрение магнитов между обмотками, что перенаправляет потенциальный магнитный поток обратно в ротор и увеличивает энергию вращения без дополнительного увеличения тока или напряжения.

После того как транспортное средство начинает движение, режим работы тягового двигателя ближе к режиму стандартного электродвигателя — требуются более высокие обороты при меньшем крутящем моменте.

Отличия в областях применения и конструктивных решениях

Поскольку тяговые двигатели устанавливаются на автомобилях, поездах, самолётах и других видах транспорта, их конструкция должна учитывать эксплуатационные сложности, например, воздействие грязи и посторонних частиц. Полностью герметичные корпуса надежно защищают от загрязнений, однако при этом важно обеспечить эффективное теплоотведение. Это можно сделать с помощью системы вентиляции или, например, интегрировав в корпус теплообменник (как принято в локомотивах). При этом открытые (проветриваемые) корпуса могут быть приемлемы для легких применений, когда транспортное средство не эксплуатируется в суровых условиях.

Как и обычные электродвигатели, тяговые часто характеризуются показателями непрерывной и пиковой мощности. Стандартные электродвигатели, как правило, классифицируются по нормативам NEMA, которые устанавливают допустимое повышение температуры между температурой окружающей среды и средней температурой обмоток при полной рабочей нагрузке. В случае тяговых двигателей используются либо показатели для непрерывной работы, либо, в зависимости от области применения и отраслевых стандартов, часовые рейтинги. Эти характеристики определяют максимально допустимое повышение температуры, а в рамках часовых рейтингов может быть предусмотрен кратковременный пик для создания дополнительного крутящего момента.

Низкие температуры также могут оказывать влияние на работу двигателя –, например, они снижают вязкость смазочных материалов в подшипниковых узлах. Кроме того, холод может сделать некоторые пластиковые или эластомерные компоненты (уплотнения, изоляцию проводки, вентиляторы) хрупкими. Применение материалов, устойчивых к низким температурам, помогает снизить такие риски, однако данные узлы всё равно следует регулярно проверять.

Также важным является защита от ударов и вибраций, для чего используются методы, аналогичные применяемым в обычных электродвигателях. Материалы, гасающие вибрацию, позволяют изолировать двигатель от шасси транспортного средства, а применение высоконадежных соединений и компонентов поверхностного монтажа способствует предотвращению электрических неисправностей, вызванных вибрацией или ударами. Регулярное техническое обслуживание помогает выявлять и устранять проблемы, связанные с разбалансировкой двигателя.

Критически важным параметром остаётся масса двигателя. Каждый дополнительный вес в 0,45 кг (эквивалент 1 фунта) сокращает запас хода, а каждый дополнительный объём в 16,4 см³ (примерно 1 кубический дюйм) занимаемого пространства уменьшает полезную нагрузку или вынуждает увеличивать размеры транспортного средства. В связи с этим плотность мощности двигателя имеет решающее значение — она отражает способность обеспечить оптимальный крутящий момент при заданных габаритах и массе двигателя.

Регенеративное торможение и тяговые двигатели

Часто тяговые двигатели являются неотъемлемой частью систем регенеративного торможения, при которых в статоре разворачиваются направления электромагнитных полей, что вызывает индуцирование тока в обмотках и его возврат в систему управления аккумуляторной батареей. Подобные системы пока реже встречаются в бюджетных и стандартных электромобилях, однако в перспективе они могут распространиться шире. Регенеративное торможение также продлевает срок службы изнашиваемых компонентов, таких как тормозные системы.

Итог

Обычные электродвигатели не в состоянии удовлетворить требованиям по работе с большими нагрузками, высокому крутящему моменту, циклическим остановкам и запуску, а также необходимой эффективности для транспортных применений. В результате именно тяговые двигатели становятся всё более востребованными в сегменте электрифицированного транспорта, поскольку их специализированная конструкция позволяет успешно решать уникальные задачи современных транспортных средств.