Содержание
Введение
Подавляющее большинство современных
автомобилей в качестве силового агрегата
используют двигатель внутреннего сгорания.
На фоне постепенного истощения запасов
нефти, а также возрастающих требований
к экологичности автоинженеры разрабатывают
новые технологии, позволяющие отказаться
от использования углеводородов в качестве
топлива или, как минимум, снизить расход.
Решить эту проблему можно двумя способами:
установить вместо ДВС электромотор или
гибридный двигатель. К последнему прибегают
многие автомобильные марки.
Как видно из названия, подобный силовой
агрегат представляет из себя классический
двигатель внутреннего сгорания и одновременно
электродвигатель, объединенные в одно
целое. По многим причинам такое решение
предпочтительнее одной только электрической
тяги. На сегодняшний день электромобиль
имеет серьезные минусы. Наиболее значимые
из них – это отсутствие, на сегодняшний
день, развитой сети электрозаправок,
а также недостаточная дальность поездки
без дозарядки (у разных моделей электромобилей
она составляет от 80 до 160 км). К тому же
на то, чтобы полностью зарядить батареи
потребуется несколько часов, а значит,
мобильность такого авто ограничивается
поездками от дома до работы и обратно.
Тем не менее, нельзя забывать и про плюсы
электромотора, среди которых более высокий
КПД (у ДВС максимальный КПД достигается
только на определенных оборотах), отсутствие
каких-либо выбросов, большой крутящий
момент. Электрический двигатель, в отличие
от работающего на нефтепродуктах, не
нуждается в постоянной подаче топлива.
Он может находиться в выключенном состоянии
сколь угодно долго, пока на него не будет
подано напряжение. При подаче электричества
он практически моментально передает
колесам максимальную тягу.
Гибридный двигатель
совместил преимущества обоих моторов,
благодаря чему достигается экономичность,
экологичность и неплохие динамические
характеристики.
1 Гибридные двигатели.
Общие сведения.
Гибридные двигатели
являются более дорогими, чем
двигатели с постоянными магнитами,
зато они обеспечивают меньшую
величину шага, больший момент и большую
скорость. Типичное число шагов на оборот
для гибридных двигателей составляет
от 100 до 400 (угол шага 3.6 – 0.9°).
Гибридные двигатели сочетают
в себе преимущество двигателей с переменным
магнитным сопротивлением и двигателей
с постоянными магнитами. Ротор гибридного
двигателя имеет зубцы, расположенные
в осевом направлении (рис. 4).
Ротор разделен на две части,
между которыми расположен цилиндрический
постоянным магнит. Таким образом, зубцы
верхней половинки ротора являются северными
полюсами, а зубцы нижней половинки –
южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки
ротора повернуты друг относительно друга
на половину угла шага зубцов. Число пар
полюсов ротора равно количеству зубцов
на одной из его половинок. Зубчатые полюсные
наконечники, как и статор, набраны из
отдельных пластин для уменьшения потерь
на вихревые токи.
Статор гибридного двигателя
также имеет зубцы, обеспечивая большое
количество эквивалентных полюсов, в отличие
от основных полюсов, на которых расположены
обмотки. Обычно используются 4 основных
полюса для 3,6°. двигателей и 8 основных
полюсов для 1.8- и 0.9°. двигателей. Зубцы
ротора обеспечивают меньшее сопротивление
магнитной цепи в определенных положениях
ротора, что улучшает статический и динамический
момент. Это обеспечивается соответствующим
расположением зубцов, когда часть зубцов
ротора находится строго напротив зубцов
статора, а часть между ними. Зависимость
между числом полюсов ротора, числом эквивалентных
полюсов статора и числом фаз определяет
угол шага α двигателя:
где Nph – чиcло эквивалентных
полюсов на фазу = число полюсов ротора,
Ph – число фаз,
N - полное количество полюсов для всех
фаз вместе.
Ротор показанного на рисунке
4 двигателя имеет 100 полюсов (50 пар), двигатель
имеет 2 фазы, поэтому полное количество
полюсов – 200, а шаг, соответственно, 1,8°.
Продольное сечение гибридного
шагового двигателя показано
на рис. 5. Стрелками показано
направление магнитного потока
постоянного магнита ротора. Часть потока
(на рисунке показана черной линией) проходит
через полюсные наконечники ротора, воздушные
зазоры и полюсный наконечник статора.
Эта часть не участвует в создании момента.
Как видно из рис. 5, воздушные
зазоры у верхнего и нижнего полюсного
наконечника ротора разные. Это достигается
благодаря повороту полюсных наконечников
на половину шага зубьев.
Поэтому существует другая магнитная
цепь, которая содержит минимальные
воздушные зазоры и, как следствие,
обладает минимальным магнитным сопротивлением.
По этой цепи замыкается другая часть
потока (на рис. 5 показана штриховой белой
линией), которая и создает момент. Часть
цепи лежит в плоскости, перпендикулярной
рисунку, поэтому не показана.
Рис. 5. Продольный разрез гибридного
шагового двигателя
В этой же плоскости
создают магнитный поток катушки
статора. В гибридном двигателе этот
поток частично замыкается полюсными
наконечниками ротора, и постоянный магнит
его «видит» слабо. Поэтому в отличие от
двигателей постоянного тока,
магнит гибридного двигателя
невозможно размагнитить ни при какой
величине тока обмоток.
Чтобы магнитный поток
не замыкался через вал, который
проходит внутри магнита, его изготавливают
из немагнитных марок стали. Для получения
больших моментов необходимо
увеличивать как поле, создаваемое
статором, так и поле постоянного
магнита. При этом требуется
больший диаметр ротора, что
ухудшает отношение крутящего
момента к моменту инерции. Поэтому
мощные шаговые двигатели иногда конструктивно
выполняют из нескольких секций
в виде этажерки. Крутящий
момент и момент инерции увеличиваются
пропорционально количеству секций, а
их отношение не ухудшается.
Большинство современных шаговых двигателей
являются гибридными.
По сути гибридный двигатель
является двигателем с постоянными магнитами,
но с большим числом полюсов. Чаще всего
на практике двигатели имеют 100 или 200 шагов
на оборот, соответственно шаг равен
3,6° или 1,8°. Большинство контроллеров
позволяют работать в полушаговом
режиме, где этот угол вдвое меньше.
2 Принцип работы гибридных
двигателей
Гибридный двигатель устроен
таким образом, что оба мотора работают,
условно говоря, друг на друга. Двигатель
внутреннего сгорания крутит генератор
и снабжает энергией электромотор, а тот
позволяет «напарнику» работать в оптимальном
режиме без резких колебаний и нагрузок.
К тому же, гибриды обычно оснащаются системой
рекуперации кинетической энергии KERS
(аналогичную той, что применяется на болидах
Формулы-1).
Эта система позволяет заряжать
аккумуляторные батареи во время торможения
и при движении машины накатом. Принцип
ее работы в том, что при торможении колеса
приводят в действие электромотор, который
в этом случае сам играет роль генератора
и заряжает аккумуляторы. Особенно полезна
KERS при езде по городу в режиме «тронулся-остановился».
По степени гибридизации
силовые агрегаты разделились три типа:
«умеренные», «полные» и plug-in.
В «умеренных» постоянно
работает двигатель внутреннего сгорания,
а электромотор включается только тогда,
когда необходима дополнительная мощность.
Автомобиль с «полным»
гибридом способен двигаться на одной
электротяге, не расходуя горючего.
Plug-in, как и полный гибрид,
может передвигаться только на электричестве,
но имеет возможность заряжаться от розетки,
совмещая таким образом все преимущества
электромобиля, и избавляясь от его главного
недостатка — ограниченного пробега без
подзарядки. Когда заряд батарей кончается,
plug-in работает как обычный гибрид.
Последовательная схема
Это наиболее простой вариант
гибридного двигателя. Принцип его работы
заключается в следующем: крутящий момент
от ДВС в данном случае передается исключительно
генератору, который вырабатывает электричество
и заряжает аккумуляторы. Автомобиль при
этом движется только на электротяге.
Также для зарядки аккумуляторной батареи
применяется система рекуперации кинетической
энергии. Своим названием данная схема
обязана последовательным преобразованиям
энергии: энергия сгорания топлива двигателем
внутреннего сгорания превращается в
механическую, затем в электрическую при
помощи генератора и снова в механическую.
Плюсы такой
конструкции заключаются в следующем:
- ДВС всегда работает на неизменных
оборотах, с максимальным КПД;
- нет необходимости оснащать
автомобиль мощным и прожорливым двигателем;
- не нужно сцепление и коробка
передач;
- автомобиль способен передвигаться
и с выключенным двигателем внутреннего
сгорания за счет энергии, запасенной
аккумуляторной батареей.
Однако есть
у последовательной схемы и свои минусы:
- потери энергии в процессе преобразований;
- большой размер, вес и высокая
стоимость аккумуляторных батарей.
Наибольшая эффективность такой
схемы достигается при движении с частыми
остановками, когда активно работает KERS.
Поэтому она нашла применение
в городском транспорте. Также гибридные
двигатели с последовательной схемой
применяются в карьерных самосвалах, которым
для работы важен большой крутящий момент
и не требуется высокая скорость.
Параллельная схема
Принцип работы «параллельного» гибридного
двигателя полностью отличается от вышеописанного.
Автомобили с гибридным двигателем, построенным
по параллельной схеме, ездят с использованием
и ДВС, и электромотора. Электродвигатель
в таком случае должен быть обратимым,
т.е. способным работать в качестве генератора.
Согласованная работа обоих моторов достигается
посредством компьютерного управления.
В зависимости от режима езды блок управления
распределяет крутящий момент, поступающий
от обоих элементов гибрида. Основную
работу выполняет двигатель внутреннего
сгорания, электромотор же подключается
когда нужна дополнительная мощность
(при трогании, ускорении), при торможении
и замедлении он работает как генератор.
Плюсы подобной компоновки в том, что
нет необходимости устанавливать аккумуляторную
батарею большой емкости, потери энергии
намного меньше, чем при последовательной
схеме, поскольку ДВС напрямую связан
с ведущими колесами, а кроме того, сама
по себе конструкция довольно проста,
а значит, дешева.
Основные минусы схемы – меньшая топливная
экономичность по сравнению с другими
вариантами и низкая эффективность в городских
условиях. Машины с гибридным двигателем,
построенным по параллельной схеме, наиболее
эффективны при движении по трассе.
По данной схеме построены гибридные автомобили марки
Хонда. Главный принцип руководства компании:
схема гибридного двигателя должна быть
как можно более простой и дешевой, а функция
электромотора заключается лишь в помощи
ДВС сэкономить максимально возможное
количество топлива. У этой марки существует
две гибридных модели – Civic (снят с производства
в 2010 году) и Insight.
Последовательно-параллельная
схема
Последовательно-параллельная схема
представляет собой совмещение первых
двух. В параллельную схему добавлен дополнительный
генератор и делитель мощности. Благодаря
этому автомобиль при трогании и на малых
скоростях движется только на электрической
тяге, ДВС только обеспечивает работу
генератора (как при последовательной
схеме). На высоких скоростях крутящий
момент на ведущие колеса передается и
от двигателя внутреннего сгорания. При
повышенных нагрузках (например, при подъеме
в гору), когда генератор не в силах обеспечить
требуемый ток, электромотор получает
дополнительное питание от аккумулятора
(параллельная схема).
Поскольку в системе имеется отдельный
генератор, заряжающий аккумуляторную
батарею, электромотор используется только
для привода ведущих колес и во время рекуперативного
торможения. Через планетарный механизм
(он же делитель мощности), часть крутящего
момента от ДВС частично передается на
колеса и частично отбирается для работы
генератора, который питает либо электромотор,
либо аккумуляторную батарею. Электронный
блок управления все время регулирует
подачу мощности из обоих источников.
Плюсы последовательно-параллельного
гибридного двигателя данной схемы, в
максимальной топливной экономичности
и высокой экологичности. Минусы системы
– сложность конструкции и высокая стоимость,
поскольку требуется дополнительный генератор,
достаточно емкая аккумуляторная батарея
и сложный электронный блок управления.
Применяется последовательно-параллельная
схема на автомобилях марки Тойота (Prius,
Camry, Highlander Hybrid, Harrier Hybrid), а также на некоторых
моделях Лексус. Подобными гибридными
двигателями оснащаются машины Ford Escape
Hybrid и Nissan Altima Hybrid.
Заключение
Гибридный двигатель
совместил преимущества обоих моторов,
благодаря чему достигается экономичность,
экологичность и неплохие динамические
характеристики.
Гибридные двигатели
позволят обеспечить рост производства,
и вместе с тем отодвинуть проблему истощения
земных ресурсов на какое-то время.
Также решится проблема
загрязнения окружающей среды.
Список литературы
- Арменский Е.В., Прокофьев П.А., Фалк Г.Б. Автоматизированный электропривод. – М.: Высшая школа, 1987. –
234 c.
- Емельянов А. В. Шаговые двигатели: учеб. пособие/ А. В. Емельянов, А. Н. Шилин / ВолгГТУ. – Волгоград, 2005. – 48 с.
- Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 186 с.