Електромотори за автомобилната промишленост

Oт средата на миналия век насам в конструкцията на автомобилите се влагат все повече електромотори. Областта на приложение на електродвигателите (ЕДГ) с управление по скорост и въртящ момент постоянно се разширява заедно с нарастващите потребности от икономия на гориво, повече удобство и комфорт и по-екологосъобразен транспорт.

С динамичния напредък в областта на силовата и управляваща електроника и технологичните подобрения в сферата на високоенергийните магнити, разходната ефективност на такива решения значително се е подобрила.

Технологични подобрения при електромоторите за автомобилни приложения
Разработките при редкоземните постоянни магнити (REPM) и силовата електроника през последните две десетилетия са направили възможно интегрирането на REPM моторни задвижвания в много автомобилни приложения.

Сред тях са тяговите двигатели и електрическите задвижвания, както и други електромеханични системи. Интересно ново приложение на електромоторите в автомобилната индустрия е т. нар. Drive-by-wire технология (наричана още DbW, by-wire, Steer-by-wire или x-by-wire), при която се използват електрически или електромеханични системи за изпълнение на функции на превозното средство, традиционно постигани с механични връзки.

Тази технология заменя традиционните механични управляващи системи с електронни, в които са интегрирани електромеханични задвижвания и човеко-машинни интерфейси, например емулатори на педали и кормилно управление.

Тяговите REPM двигатели за електрическо задвижване и моторните REPM задвижвания за електрическо сервоуправление (EPS) са сред многото

успешни примери за интегриране на електромотори
в превозни средства в масово производство. В много случаи технологичните подобрения в конструкцията на двигателите първоначално са за сметка на високи производствени разходи (особено при високите цени на редкоземните постоянни магнити), но с навлизането на дадена технология в масовото производство обикновено стойността й се нормализира.

За ЕДГ в автомобилостроенето е от изключителна важност да се минимизира себестойността, без да се прави компромис с неговата производителност, надеждност и стабилност по отношение на размагнитването.

Много съвременни производители се фокусират върху намаляване теглото на електродвигателите и техните габаритни размери, шума, както и върху редуцирането на въглеродните емисии при запазване или подобряване на функционалността и специфичната мощност.

По данни на маркетинговата агенция в областта на технологиите IHS Technology

глобалните приходи от електромотори за автомобилни приложения
се очаква да нараснат до над 30 милиарда щатски долара през 2019 г. Двата най-използвани вида електродвигатели в автомобилната промишленост днес са колекторните постояннотокови двигатели (DC brushed) и безколекторните (вентилни) постояннотокови електродвигатели (DC brushless).

Според маркетинговите анализатори технологичните иновации в областта на електромоторите за автомобилни приложения през последните години силно са стимулирали ръста на този пазарен сегмент в глобален мащаб, като основна причина за този растеж са и все повечето приложения на електрически двигатели в конструкцията на автомобила.

Днес ЕДГ се използват в почти всяка система от превозното средство, която може да се задвижва с електричество: в шасита (рамата и силовите агрегати като двигател, трансмисия, силово предаване и окачване), въздушни охлаждащи системи, спирачни системи, сервоуправление, ел. седалки, ел. стъкла, ел. огледала, регулируеми фарове, арматурно табло, ел. врати, ел. ключалки, ел. люкове, чистачки и др.

Електронни ръчни спирачки (EPB)
EPB системите заместват механичните спирачки за паркиране и обемните механизми в интериора на автомобила, свързани с тях, като ръчни лостове, педали, кабели и т. н.

Производителите на електронни ръчни спирачки оптимизират тяхната ефективност, като влагат в системата по-малко на брой части. В допълнение, съвременните системи за паркиране, задвижвани с електромотори, могат да бъдат комбинирани с различна автоматика и технологии за подпомагане потеглянето по наклон.

Така, освен с важността си по отношение на безопасността, електронните ръчни спирачки вече са натоварени и с по-важна роля в подобряването на комфорта при управление на автомобила.

Ел. огледала
Страничните автомобилни огледала, които могат да се прибират и позиционират с помощта на електрическа система, дълги години съществуват като екстра само в сегмента луксозни автомобили.

Днес ел. огледалата все по често са налице в масовите автомобили, където функцията на ел. задвижването е да ги прибира, за да избегне повреждането им при преминаване през тесни улици и паркиране в ограничени пространства в големите и гъсто населени съвременни градове.

Ел. седалки
Седалките с функции, задвижвани от електромотори, също доскоро бяха екстра само на луксозните автомобили, но днес все по-често се срещат и при по-ниския клас.

Освен с постояннотокови електромотори, интегрирани в предните седалки, които автоматично регулират например позицията на облегалката и опората за глава, все повече съвременни модели автомобили се оборудват и с електрически задвижвани технологии за задните седалки, като нагревателни системи, системи за автоматично прибиране на седалките и др.

Много автомобилни производители разработват и предлагат като част от портфолиото си и plug-in седалки, които се свързват с електрическата задвижваща система (или електронната система, управляваща допълнителните функции на седалката) при монтаж в автомобила и се изключват автоматично при демонтаж, без нужда от предварително свързване или разкачане на каквито и да било кабели.

Ел. стъкла
При ел. стъклата в съвременното автомобилно проектиране са налице редица технологични иновации и подобрения, опосредствани от електрозадвижване, включително т. нар. anti-pinch и one-touch технологии, които предотвратяват защипването (на ръце, дрехи и т. н.) и позволяват цялостното издигане или прибиране на стъклото с еднократно натискане на бутона за управление.

Повечето от автомобилите от потребителския клас в наши дни вече разполагат с управляеми предни и задни стъкла, за разлика от моделите, произвеждани през 90-те години на XX в. При тях големи и тежки електромотори са се използвали за управление само на предните стъкла, а механизмите при задните са оставали ръчни.

Тенденциите днес са все по-масово да се използват интегрирани електронни системи за управление на ел. стъклата, а подобренията по отношение на дизайна на електромоторите в този сегмент са свързани с по-малко тегло и размери, по-тиха работа и по-дълъг експлоатационен живот.

При семейните автомобили все по-често е налице anti-pinch функция за централно заключване на задните стъкла от водача, за да се предотврати инцидентното им отваряне или затваряне от малки деца на задната седалка и да се избегне рискът от прищипване или задушаване на детето.

Ел. врати
Първите модели автомобили с ел. врати се появяват на пазара в края на 90-те години на миналия век. Технологията е базирана на електрохидравлично задвижване, но високата й цена ограничава внедряването й само в луксозния клас.

Само няколко години по-късно плъзгащите се врати с електрозадвижване се появяват и разпространяват и при автомобилите в масово производство – първо само една задна врата при някои модели миниванове, а после и при всички плъзгащи се врати.

Задвижването на автомобилната врата се обезпечава от окабелен задвижващ блок с електромотор, монтиран под пода на задните места, управляван от споделен електронен контролер, монтиран под някоя от предните седалки.

От сегмента на минивановете и товарните автомобили ел. вратите постепенно преминават и при компактните пътнически автомобили, като някои модели остават само с плъзгащи се задни, а други биват оборудвани и с плъзгащи се предни врати.

Някои производители залагат на нови разработки в областта на автоматично повдигащите се врати, включително при товарните автомобили, където се избират по-леки материали като алуминий и полимери за изработка на вратата, а задвижващите системи стават все по-компактни и лесно управляеми.

Други пазарни сегменти при автомобилните компоненти, в които електромоторите намират все по-широко приложение, са чистачките, охлаждащите системи на двигателя, сервоуправлението, интегрираните ОВК системи в автомобилите, информационно-развлекателните системи и т. н.

Електромотори в хибридните и Plug-in електрически превозни средства
Съвременните изисквания към електромобилите и хибридните електрически превозни средства включват висока енергийна ефективност, ниски експлоатационни разходи, ниски нива на шум и малко тегло, висока плътност на мощността, както и максимален преход с едно зареждане на акумулатора.

Сред технологичните тенденции при електромоторите за тези типове превозни средства е фокусът върху намаленото използване на редки земни елементи, масово използвани при производството на ЕДГ с постоянни магнити.

С развитието на технологиите при електрическите и хибридните автомобили, те стават все по-масово използвани като алтернатива на конвенционалните автомобили с ДВГ. Сред най-използваните задвижващи системи са безколекторните постояннотокови електродвигатели (BLDC) и синхронните двигатели с постоянни магнити (PMSM).

Сред водещите предимства на тези електромотори са високата плътност на мощността, възможностите за прецизно управление на скоростта и въртящия момент и т. н. Особено ефективни са тези технологии при т. нар. hub приложения, при които електромоторите се вграждат в колелата на автомобилите.

При електрозадвижванията електромоторите преобразуват съхранената електрическа енергия в акумулатора в механична енергия. Електромоторите с постоянни магнити включват ротор, в който са интегрирани серии магнити, и тоководещ статор (обикновено под формата на железен пръстен), разделени от въздушна междина.

Има три основни типа електромотори, които се използват при електромобилите и хибридните електрически превозни средства.

Електродвигатели с вътрешен постоянен магнит (IPM)
При IPM (Interior Permanent Magnet Motor) технологията за изграждането на магнитния ротор се ползват стандартни магнитни елементи. Тези електромотори се отличават с висока плътност на мощността и могат да поддържат висока ефективност в голяма част от работния си диапазон.

Почти всички хибридни и Plug-in електрически превозни средства използват тягови двигатели с редкоземни постоянни магнити. Поради високите цени на редкоземните елементи и производствените разходи при роторите, тези ЕДГ са относително скъпи.

Въпреки тези предизвикателства при използването на електродвигатели с вътрешен постоянен магнит, пазарните анализатори в сферата на автомобилостроенето очакват през следващото десетилетие тази технология да е сред най-масово внедряваните в електрическите превозни средства.

Индукционните (асинхронните) мотори
имат висок пусков момент и осигуряват висока надеждност. При тях обаче плътността на мощността и цялостната ефективност са по-ниски в сравнение с електродвигателите с вътрешен постоянен магнит (IPM).

Асинхронните мотори са широко използвани в редица индустриални приложения, включително в превозните средства в производствените отрасли.

Технологията е сравнително зряла на фона на останалите разработки в областта на задвижванията за електрически и хибридни автомобили, което означава, че не се очакват значителни подобрения по отношение на ефективността, себестойността, теглото и габаритите при индукционните мотори за електромобили в бъдеще.

ЕДГ с променливо магнитно съпротивление (Switched Reluctance Motor, SRM)
представляват лесно и сравнително евтино за производство решение в сферата на електрическите задвижвания. Тези мотори обикновено разполагат с усилена конструкция, която може да издържа на високи скорости на въртене и работни температури.

Основен техен недостатък са повечето шум и вибрации при работата на ЕДГ, които са сред основните сфери на технологични разработки не само в областта на електрическите, но и при конвенционалните превозни средства и електрозадвижваните системи.

SRM моторите са и по-малко ефективни в сравнение с другите изброени типове мотори, като се нуждаят от допълнителни сензори и сложни моторни контролери, които повишават общата цена за притежание на електрическата система.