技术

电动汽车最好的发动机

L’essor des véhicules électriques dépend aussi du dé发展他们的发动机。这经历了很多进展ès récents, grâce notamment à de nouveaux matériaux magnétiques. Et ce n’est pas fini :明天的发动机将更效率,Légers.

Martin Doppelbauer. 用于Science N°492
本文保留用于科学用户
电动马达

机器é电动,利用现场岩石étique créé通过当前,存在近两百年,mê如果是第一个系统ème dé通过体育场émonstrateur n’a été construit qu’en 1834 à KöNigsberg(加里宁格勒)由’ingé莫里茨冯·雅各比。 APRUM.è太多时间,他能留下什么à améliorer ?

事实上,很多进步ès ont été réalisés ces vingt dernières années. Ils sont dus à des matériaux magnétiques modernes à稀土基地,可提供强大的磁铁,以及’à更好的组件électroniques et à强大的计算器,可以控制ô电机速度和公关écision inédites.

就像发动机一样à爆炸,有变体très différentes de moteurs é电器。他们都是ées sur des mises en œuvre particulières des forces magnétiques (voir l’encadré下一页),但我们区分了两个主要原则 : d’一个人分享发动机à直流电流和现场岩étique fixe, d’其他股票的旅行社és à champ magnétique tournant.

电机à courant continu

在发动机 àDC电流,扫帚注入旋转收集器,电流馈送一部分的线圈’une piè这种旋转,转子。通过施工,极性é des champs magné这些线圈中的电流引起的蜱虫’每圈逆转一次,这样的FAçon qu’它总是对面ée à定子线圈领域的领域,’élé固定地围绕转子。在r中的一对夫妇é旋转转子的沙子。

发动机是生产的àDC电流由数百万,特别是因为’我们很容易控制ô他们的旋转速度à l’aide d’une tension é电气。豪华车可以包含一百个,régler les siè温室气体,升降窗,操作冰巾和各种泵,风扇和其他压缩机。引擎à但是,DC电流适用és qu’低权力 :为了权力élevées,结构复杂é转子,带他的收集器和刷子,使它们成为éREX并涉及限制他们努力的摩擦ée de vie.

C’是为什么汽车发动机é电动是Triphas发动机és。在一个三个PHA发动机é典型的,定子有三个东部线圈ées à 120 degré彼此和食物é交流电流与阶段écalées de 120 degrés. L’一起诱导巨大的领域é转折。 IL en R.é耗尽岩石流动的变化étique à通过转子的线圈。最后ères占据它çon à s’反对它(Lenz法律)。作为流量岩的方向é定子线圈引起的蜱虫不断旋转’转子轴,后者也在转动。

自从此以来’avènement de contrô更高效的计算机和’é电力电子产品à faible coût, les ingé请用这些发动机了ôt简单且坚固réactions à与发动机更好的订单订单à courant continu.

第一个Tripha发动机é construit était la « machine synchrone à excitation bobinée » que l’德国弗里德里希八月哈雷瓦万éveloppa en 1888通过修改发动机à直流电流。他没有écessite pas d’永久磁铁CO.û但转子相对复杂。这样的马达équipe aujourd’例如La Zoe和Kangoo Z.E.,Véhicules é雷诺品牌的电气。

À peu près à la même époque a été inventé第一个异步引擎。他的名字翻译了另一种经营原则 : alors qu’同步机器有效à la fré他的田野é旋转刻度,由这种FA构建异步引擎çon qu’il ne dé只有当他的转子转弯时,才有提升脚à une vitesse diffé定子旋转场的年金。 vs.’est l’意大利伽利略法拉利介绍了这一概念,期间’un exposé très remarqué en mars 1888, à都灵。几个月后,à纽约,克罗地亚尼古拉特斯拉宣布ç有类似的原则,并制作了两个简单的原型工作。最后,C.’est le Russe Mikhaïl dolivo-dobrowolsky谁,à partir de 1889, dé在SoCI中发展été allemande AEG在我们认识他的形式中的异步引擎。

今天’惠,几乎所有系统è我的铁路和行业利用异步引擎。 mod.è特斯拉品牌也是摩托斯é使用异步机器。

发动机原理électrique le plus ré百年历史层面是同步机à永磁体,哪个n’a été pleinement développée qu’à la fin du siè最后一个钥匙,当强大的磁铁à罕见的地面底座可用。À poids égal, les moteurs à永久磁铁具有最佳性能,这解释了这一点’他们今天机动’惠大多数汽车é电器。他们特别是èrement adaptéS处于低速度和中等速度,而异步引擎在速度上更有利élevées。两者之间的良好妥协由同步发动机提供à excitation bobinée déjà mentionnés, bien qu’他们有点复杂à构建(他们的转子必须inté烤架线圈和两个收集器环)。

定子à champ magnétique tournant

在三汉发动机éS,Sinuso替代电流ï馈送定子的线圈。通常,三个电流éphasés de 120 degréS燃料三个罗宾斯ré围绕割礼的零件é定子。三个领域的叠加étiques associés产品是巨大的领域étique d’从FA恒定幅度转动ç我们在周围制服’转子轴。就像穿过磁铁的那个,这个字段résultant présente un pôle nord et un pô南。为了使其更均匀,通常用于每个阶段而不是线圈,而是一组两三个线圈。此外,组不是Déphasés de 120 degrés, mais plutôt de 90, voire de 60 degrés. Toute la circonfé然后保持定子é通过卷轴组,增加了p的数量ôles magné蜱虫。异步机器是构造的à deux paires de pôles (deux pôles nord et deux pô南部)和同步机à三或四对pôles.

力量和缺点é这对夫妇和电力产品résultent du jeu qui s’é在定子场和转子的结构之间建立,这构成了« champ d’excitation ». C’est par l’intermé后者的传播力éveloppent. Une métaphore é清除此传输 :一切都在何时’un vé垃圾追踪另一个坟墓é en panne à l’aide d’绳子。这个链接,哪个équivaut au champ d’兴奋,必须有一个大的résistance, laquelle équivaut à la densité d’é这个领域的NERGIA。 vs.’是为什么这三种引擎à转动场通过FA彼此区分çon dont le champ d’生成兴奋é。在同步电动机中à永磁体,领域’excitation est créé par des aimants… permanents ;在同步电动机中à excitation bobinée, il est créé par des… bobines.

还有什么样的’电机被命名é异步电气à cage d’écureuil。他们的转子n’不是由拐杖制成的ées, mais plutôt d’圆柱形笼子,铜棒,é在短裤短缺的戒指之间« torsadées »。当此设备倾向时é在定子的旋转场(因此可变变量)中,电流在条形的导电质量中(其)’我们命名福柯潮流),这样一个façon à créer un flux magnétique s’对立定子流动 ;随着这个流量转弯,笼子遵循这种运动。此操作解释了为什么异步引擎也是NOMMés moteurs à induction.

永久磁铁越来越强大,à稀有地基

D.é同步发动机的开发à永磁磁铁N.’a été可能只是因为’au cours du siè最后一个CLE,研究人员已经开发了哑光ériaux à l’origine d’永久磁铁更有效。第一个d’entre eux était l’铝 - 镍钴合金(Al Ni Co). Dès les années 1940年,他被给予了密度és d’énergie magnétique de 150 kilojoules par mè多维数据集。但是,由于其矫顽力低é, c’est-à - 低野磁铁étique né取消其磁化,L’铝 - 镍 - 钴不适合à发动机建设électriques. Arrivée dans les années 1960年,铁氧体具有密度é d’énergia大约三倍,但它的矫顽力é élevée使其可用于发动机é电器。她也有’avantage d’être peu coûteuse, de sorte qu’on l’经常使用同步发动机à简单的永久磁铁和发动机à courant continu.

从安妮ées 1970, les aimants à罕见地基变得越来越强大。我们有’abord utilisé钐 - 钴合金(SM CO),达到密度é d’énergie de 300 kilojoules par mètre cube, puis, à partir de 1990, du néodyme-fer-bore (Nd Fe B), dont la densité d’énergie magné可以去’à 450 kilojoules par mè多维数据集。稳定性é en tempé镁的速率éodyme oblige à也用另一个élément, é也是一种稀土,镝,比n大约十倍éOdyme。由于中国的垄断,这是迄今为止最大的稀土生产国,镝的价格在通行证中经历过é de brusques embardées. C’是为什么许多主要汽车制造商成为éparent à独占é没有永久磁铁的电气,C’est-à - 硬盘同步机à excitation bobinée ou à cage d’écureuil.

多相电动机的原理

引擎é电器利用万力é从中转换’énergie électrique, puis magnétique, en énergie mé坎克。提交给Magne领域étique d’永久磁铁INTégré在定子,可动永磁体(转子)S’aligne avec ce champ (在)。定子领域也可以être créé par un é电动纸,绕组où循环连续电流和围绕铁芯,这沟通该领域 (b)。但是,在这两种配置中,转子S’曾经固定一次pôles se sont alignés。要转动它,我们可以放在核心的一个é卷轴的rieé通过替代电流,déphasés de façon à créer un champ magné转动蜱而是d’amplitude constante (vs)。提交à这个领域,定子转动以保持对齐é和他一起。为此,使用三个线圈é定子和食物中的零件é由sinuso电流ïdaux déphasés de 120 degrés (d).

©Spektrum der Wissenschaft. / MICKE Beckers,基于Martin Doppelbauer

另一个性格é磁铁的临界裂缝在néOdyme是他们的内容élevée en fer (60 %), et l’oxygène atmosphé所以可以氧化它们。一旦产生磁体,它们的表面必须ê精心卖éE,例如由一层’aluminium. Si ce revêtement est endommagé lors de l’安装发动机,失败Prématuré它可能发生。

一个重要指标’efficacité d’un moteur é电气是其功率/重量比,déterminé par le poids né提供一定的力量mé坎克。经典的工业发动机–例如那些楼梯的人éCanics,电梯,系统è我的冷却和压缩机– pèsent environ 10 千克每千瓦力量méCanic继续。特定è强大的,这些发动机可以操作几个dé没有维护的人,但它们太重而无法灵通vé软管。事实上,在汽车或火车中é当前的性能,发动机的权重/电力关系是inférieurs à 1 千克每千瓦,可比价值à celles des moteurs à explosion.

比公式更强大的发动机 1

进步ès ont cependant été réaliséS,由于重量/功率为0.1 千克每千瓦是dé尽可能多。这样的发动机é电器比最好的发动机更强大à使用内燃é惯例1.除了汽车,一个意志évoit qu’ils é一天飞机。 ingénieurs n’不要只考虑小型设备,也是50岁的小型载体à 100 能够覆盖乘客直到’à 1 000 kilomètres. L’énergie é电气不会来é必然是电池,但可以ê由g制作énérateurs, qui ont l’avantage d’avoir un rendement élevé在电动机转速的最佳范围内。

L’entraî由发动机提供électrique ré荞麦绒不仅来自洛伦兹的力量(力量)’exerce un champ magné在移动的负荷上勾选),但也是r的力量é路易斯,测量résistance d’un circuit magné勾选(一个字段驱动仪étique refermé sur lui-même) à être traversé par un champ magnétique. Cette dernière joue un rôle dans les matériaux ferromagné甜蜜的蜱虫,那些人’浸入巨型场时容易移动étique exté笑。这种类型的垫子éRiau进行大量领域étiques et permet, à taille égale, de transfé更多的力量。 vs.’est pourquoi, en général, un é权限不仅包括线圈产生磁盘é蜱,也是哑光的核心ériau ferromagné勾选渠道该字段和’amplifie.

À这个结束,我们使用什么’我们称之为温和的铁或一个« tôle magnétique », qui est pour l’essentiel de l’acier allié à du silicium et à de l’aluminium. Ce matériau a une faible ré不爽子,所以’线圈中的低电流足以使MAG流动é在温和的铁芯中勾选élevé. La perméabilité magné相对蜱(他的能力é à驱动温和铁的野外线’引擎是根据其扭矩和速度,约100 fois supérieure à celle de l’空气。这意味着’à恒流,密度é de flux magnétique (flux magnétique par unité表面)是大约100倍érieure à ce qu’elle est dans l’air. La tôle magné不幸的是有一个défaut : au-dessus d’un certain courant d’感应,流量汇étique n’y augmente plus.

C’est le flux magnétique, créé通过线圈中的电流循环,产生输入的力î发动机。 C夫妇éé ré通过杠杆臂丢失这种力的产品,这是一半é du diamètre du rotor. Le 通过旋转速度的扭矩产品 donne finalement la puissance mé由发动机提供的Canic。

90屈服 %

所有机器é旋转电气可以在两个方向上运行,所以像电机一样é电动作为générateur d’électricité。这种反转使得可以为V的电池充电é在路径和制动相期间écèdent l’arrivée在火灾或帽前。 vs.’是为什么的产量’un moteur électrique bien conçu peut atteindre 90 % et plus (参见上图),而发动机à explosion ne dépasse pas 30 %.

如路了înements é电气转换为éjà très bien l’énergie électrique en énergie méCanic,目前的研究侧重于’优化功率/重量比。发动机越多éGER,较少的房间,所需的少’énergie pour accélérer la masse du véhicule.

例如,发动机éBMW I3 P的电气èse environ 50 千克。对于75的连续供电 千瓦,其重量/功率比为0.67 千克每千瓦。高性能原型éveloppé à l’Karlsruhe技术研究所推动汽车奥迪A1转换为èse, lui, qu’environ 13 千克连续70美元 千瓦。其重量/功率比n’est donc que de 0,19 千克每千瓦。

溪流é勾选,当前或旋转速度

三种方式’提议实现这些权力élevé在没有大多数发动机的情况下 :增加密度é de flux magné勾选,用更强烈的电流馈送线圈或更快地转动发动机。

正如我们所拥有的那样’avons déjà mentionné, la densité du flux magnétique est limité通过T的饱和度ôle magné打钩。最好的t类型ô它们仅可用’en petites quantités et à des prix élevés. Il s’agit d’alliages d’含有钴的钢。它们用于COMPé汽车,但它们太昂贵,无法适合S的汽车érie.

上à解决方案组成à增加当前,它有’inconvénient de pré通过效果焦耳的损失,因为线圈由铜儿子制成,有résistance é电气。有D.’其他损失来源,特别是在tôle magné蜱块,这是持续的magnéétisée相反的方向ées et où从涡流流传。但在发动机’aujourd’惠是焦耳损失édominent.

电动机的三个架构

引擎le plus souvent montés dans les véhicules électriques pré感受各种架构。但在所有情况下,一个领域的巨大é转弯蜱旋转转子,其现场汇总étique est créé de diverses façons.

在同步发动机à永磁体,现场岩é转子蜱是Créé通过永久磁铁(代表它们é以下是SCH.ématiques : les moteurs réels有更多的成对的ôles magné蜱虫)。电机最常见的是montés dans les véhicules électriques pré感受各种架构。但在所有情况下,一个领域的巨大é转弯蜱旋转转子,其现场汇总étique est créé de diverses façons.

在同步发动机à excitation bobinée,转子场由int线圈产生égré在转子。目前的目前’alimentation né本身到达线圈’intermé滑动触点的黛安,« balais »。在异步机中,生成转子字段é通过在茎中循环的电流é血小酒是é转子。定子场转动Y CRée une tension é电动,这是短路éE由构成提取物的环émités de cette « cage d’écureuil ».
交叉它产生现场巨大的电流é旋转,其流动倾向于à s’相反旋转定子领域。 IL en R.é拍摄几个力量转动笼子。

©Spektrum der Wissenschaft. / Mike Beckers(左页); Martin Doppelbauer.

冷却播放rôle crucial quant à l’intensité du courant é电动可以在很长的努力下操作电机ée。在目前的发动机中,定子是à l’intérieur d’un boî墙壁,空洞的层是通过的ées par de l’冷却水。在那些那些’on développe, l’intérieur de l’树也通过é通过冷却剂 ;或云云’huile est pulvérisé sur les bobines à l’intérieur du moteur.

在最新系统中èmes en dé发展,我们尝试’améliorer encore l’é通过将冷却剂直接带到铜导线来休假,使其通过空间é父母是形式的板块é le stator. L’使用导线à矩形部分ôt que ronde amé也是康柏é, c’est-à-dire qu’它可以通过单位进行更多的铜é de surface (见对面的照片)。所有这些变化都是从中摆姿势é设计和生产的FIS。原型存在éjà但我们仍然远离’une production en série.

疏散热量

无论技术解决方案采用什么ée, on ne peut évacuer qu’une certaine quantité最大热量。最大值é端亚麻装载éique, en d’其他术语所有划分电流的总和és par la circonfé转子脚。引擎é现代电动表演者在r中运行é用亚麻装载的连续磁石é50之间的IQUES 000 et 100 000 ampères par centimètre. S’表演亚麻提示é即,在ACC期间发生的那些élé配给,我们可以达到200的价值 000 ampères par centimètre. Lors des accélérations, la quantité产生的热量是库存éE暂时在定子定子堆叠中,然后冷却。

第三è在不制造发动机的情况下增加功率的方法包括à提高旋转速度。工业发动机通常转向’à 3 000 每分钟轮换。机器人控制达到6 000 每分钟轮换。首先的发动机ères voitures é电气在生产阶段工作éjà à速度两倍多élevées. Dans les systèmes développé目前,速度很高兴ôt de 20 为发动机每分钟000次旅行érie, et vont jusqu’à 30 000 某些原型的每分钟旅行。

订购发动机à旋转尽快,您必须具有FR的替代电压équence élevée. La fré达到目前是1 千赫兹,有时更多。这些值是通过通过开关从电池切换连续电压而获得的 é电力电子,设备名称éS逆变器或连续替代转换器。在实践中,我们今天见面’流利équences d’时钟超过10 kilohertz. Le contrôle n’est pré仅当每个切换脉冲都是计算ée avec pré点击一个强大的计算机,哪个n’已经成为可能的几年ées.

这不太可能是速度épasseront les 30 000 每分钟轮换。全部’首先,这种速度必须être ramenée,通过传输,到约1 500 申请的每分钟旅行és à la roue à最大速度。此外,转子的结构必须résister à离心力。根据转子设计– à base d’aimants ou de cage d’écureuil –和通常的尺寸’un moteur é电气(T内核ôles magné定子蜱虫制成20à 30 centimètres de diamètre extérieur), la périphé转子岩可以达到100的速度à 150 mè非常秒。而且,损失到期à la remagné铁芯的恒定弱化随速度而增加,限制l’amé性能改进。

与发动机不同à燃烧,发动机électriques créent à l’arrê这是一个功能强大的夫妇,足以让最多的每分钟转弯数量élevés. Par consé奇特,没有离合器或博îte de vitesses à多个报告N.’est né本身。但是,旋转了’arbre moteur doit être ajustée, par un réducteur, à那个轮子的。这是在g中完成的énéral par des systèmes à deux étages de roues dentées。这些r比发动机紧凑且较少的巨大é导体达到90多个收益率 % grâ这在少数piè这些构成它们。

我们也可以建造发动机à慢速旋转,进入î直接像轮子一样,但他们会有’inconvénient d’une faible densité de puissance. À类似的性能,这样的条目î直接指示应该ê更大,更重,更多的合作ûteux que des entraînements centraux à伟大的速度。它们的组件的大尺寸也将具有’inconvénient de ré由于发动机效率à mesure que l’磨损和摩擦会增加。 vs.’是为什么所有的汽车é今天生产的电器’嗨用发动机操作é快速电力和小博îte de vitesses.

固定齿轮énéral

某些汽车électriques sont dotér修饰符的eségimes, c’est-à - 几种速度。 vs.’est intéressant lorsqu’我们想在m中结合ême vé几个émarrage élevé最大速度élevée,例如né在Comp.é汽车。齿轮né它需要太多的空间,太重了,更不用说力量的损失’ils occasionnent. Même le modèle S tesla,谁从0开始à 100 kilomè4.4的每小时TRES 秒并达到最大速度为225 kilomè非常每小时,交付é用固定齿轮。

魔鬼é les diffé异步引擎,同步发动机之间的技术目标à永磁体和同步发动机à excitation bobinée,所有这些推进装置的操作é电气非常相似。

在每分钟少数圈的范围内,所以低速,发动机工作à flux magné不断勾选,但有必要从中添加’é电子保证。在他们之中ême temps, la quantité de chaleur é真空和系统的最大功率è冷却限制’alimentation é总电力。目前的目前’最大电源和磁头é因此,在低速范围内恒定,以及最大扭矩到达 (参见图表页面  71).

发动机的力量是égale au 通过旋转速度的扭矩产品. La puissance disponible augmente donc dans la plage des basses vitesses de 0 (à l’arrêt) jusqu’à最大,达到最大旋转速度。大多数时候,它对应了à des vitesses du vé火车从40和60 kilomè每小时TRES,具体取决于发动机的类型。

AU-LEDà最大速度,我们输入小字段的范围。驱动器–决定的组成部分à发动机的每一刻fré适当的交流电压ée, exploite dé致致致讨电池端子上可用的所有电压。法国é仍然成比例地增加à速度。但是,随着流动的流动é刻度随电压/ en比而变化équence, il tend à减少。热符合条件的直流电流仍然是mê我。由于这些原因,由于每分钟的匝数,扭矩减小,而动力Mécanique disponible – 通过旋转速度的扭矩产品 – reste constante.

而且,电池电压减小为à mesure qu’elle se dé收费。典型的电池é他的产品在S产品中érie aujourd’惠提供高达360 volts à满载。电压降à 320 volts ou même à 300 电池几乎是空的伏特。这对发动机行为产生了重大影响。À较低的电压,基本速度范围结束à较低的速度和海滩’弱化领域开始加上ôT。然后,最大可用功率随可用电压降低。这款可用权力à plein régime s’在某些v的仪表板上显示éhicules é电器,如雷诺的zoe。

在过去的两个ères décennies, les ingénieurs ont exploité所有这些可能性és de ré梦想系统的运作èmes de propulsion é电动制造发动机é电气有效–无论如何à leurs prédé工业背板– pour être utilisé特别是汽车ères。更多速度élevéES,更好的冷却解决方案,更强大的磁铁,aé现代电子和计算机控制已允许’amé线路电源/重量比’un facteur 10.

系统èmes actuellement à l’在实验室和那些中的测试éveloppés pour la compétition suggèrent qu’une amélioration d’另一个数量级是可能的。例如,碳化硅半导体应该很快带来ôt de grandes améliorations aux é电力电子产品因为它们ésistent à des températures plus élevées, pré感觉较低的损失以及较短的切换时间。À n’毫无疑问,系统èmes de propulsion é明天的电动将更加紧凑,更强大。

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