Tylūs revoliucionieriai mūsų gatvėse
Prisimenu, kaip prieš kokius dešimt metų elektromobiliai atrodė kaip kažkas iš mokslinės fantastikos filmų. Dabar juos matau kiekvieną dieną prie kaimynų namų, prekybos centrų aikštelėse, net ir mano draugas neseniai įsigijo vieną. Bet kaip iš tikrųjų veikia tas elektrinis variklis, kuris taip tyliai ir sklandžiai stumia šiuos automobilius? Pasirodo, principas yra ir paprastas, ir genialus vienu metu.
Elektrinio variklio širdis – tai elektromagnetizmo jėga. Skirtingai nei vidaus degimo variklyje, kur sprogdinami degalai stumia stūmoklius, elektromobilyje viskas sukasi apie magnetų šokį. Kai elektros srovė teka per laidus, ji sukuria magnetinį lauką. O jei tuos laidus suvyniosi į ritę ir pastatysi šalia nuolatinio magneto, prasideda tikra magija – arba tiksliau, fizika.
Magnetų šokis ir sukimosi paslaptis
Pagrindinis elektrinio variklio principas remiasi tuo, kad priešingi magnetų poliai traukia vienas kitą, o vienodi – stumia. Įsivaizduokite, kad turite ratą su elektromagnetais (tai vadinama rotoriumi) ir aplink jį išdėstytus nuolatinius magnetus arba kitus elektromagnetus (tai statorius). Kai pradedame tiekti elektros srovę į rotorius, jis tampa magnetu. Dabar jei protingai keisime srovės kryptį tam tikru momentu, galime priversti rotorių nuolat „vytis” statorių – bandyti priartėti prie priešingo poliaus, bet niekada jo nepasiekti.
Šiuolaikiniuose elektromobiliuose dažniausiai naudojami trifaziai kintamos srovės varikliai. Skamba sudėtingai, bet esmė paprasta: srovė tiekiama trimis atskirais kanalais, kurie paeiliui įjungiami ir išjungiami. Tai sukuria besisukantį magnetinį lauką, kuris traukia rotorių paskui save tarsi morka prieš arklio nosį. Tik skirtumas tas, kad šis arklys tą morką pasiveja milijonus kartų per minutę.
Kokie varikliai suka elektromobilių ratus
Elektromobiliuose rasite kelis pagrindinius variklio tipus, ir kiekvienas turi savo privalumų. Pats populiariausias – sinchroninis variklis su nuolatiniais magnetais. Tokius naudoja „Tesla”, „Nissan Leaf” ir dauguma kitų gamintojų. Čia rotoriuje įmontuoti galingi neodimio magnetai, kurie sukuria stiprų magnetinį lauką be jokios papildomos energijos. Tai reiškia didesnį efektyvumą – daugiau kilometrų iš tos pačios baterijos įkrovos.
Asinchroniniai (indukcijos) varikliai – tai kitas populiarus pasirinkimas. „Tesla Model S” ir „Model X” juos naudoja dėl paprastumo ir patikimumo. Čia rotoriuje nėra jokių nuolatinių magnetų – magnetinis laukas sukuriamas indukcijos būdu iš statoriaus. Tai šiek tiek sumažina efektyvumą, bet padaro variklį pigesnį gaminti ir patikimesnį ilgalaikėje perspektyvoje.
Dar yra sinchroniniai reaktyviniai varikliai, kurie neturi nei nuolatinių magnetų, nei rotoriaus apvijų. Jie veikia dėl to, kad geležies rotoriaus dalys natūraliai stengiasi išsirikiuoti su magnetiniu lauku. „BMW i3″ naudoja būtent tokį variklį. Jis pigesnis, bet ir šiek tiek mažiau efektyvus už kitus tipus.
Elektronika, kuri valdo visą šou
Pats variklis be protingos valdymo sistemos būtų kaip galingas arklys be raitelio – daug jėgos, bet nėra kas ją valdytų. Čia į sceną įžengia inverteris – elektroninis įrenginys, kuris paverčia baterijos nuolatinę srovę į kintamą ir labai tiksliai kontroliuoja, kada ir kiek srovės tiekti į kiekvieną variklio fazę.
Inverteris veikia su tranzistoriais, kurie įsijungia ir išsijungia tūkstančius kartų per sekundę. Tai kaip labai greitas jungiklis, kuris tiksliai dozuoja energiją. Kai spaudžiate akseleratorių, jūs iš tikrųjų netiesiogiai valdote šiuos tranzistorius – sakote jiems, kaip greitai ir kaip stipriai tiekti srovę į variklį.
Moderniuose elektromobiliuose yra ir regeneracinio stabdymo sistema. Kai atleidžiate akseleratorių arba spaudžiate stabdžius, variklis tampa generatoriumi. Automobilio kinetinė energija verčiama atgal į elektros energiją ir grąžinama į bateriją. Tai viena iš priežasčių, kodėl elektromobiliai mieste gali nuvažiuoti daugiau nei greitkelyje – dažnas stabdymas ir greitėjimas leidžia susigrąžinti dalį energijos.
Kodėl elektriniai varikliai tokie galingi
Vienas įspūdingiausių elektrinių variklių bruožų – momentinis sukimo momentas. Kai vidaus degimo varikliui reikia laiko „įsisukti” ir pasiekti maksimalią galią, elektrinis variklis atiduoda visą savo jėgą nuo pirmos sekundės. Tai kodėl net vidutinės klasės elektromobiliai gali palikti už nugaros sportines mašinas šviesoforo startuose.
Fizikinis paaiškinimas paprastas: elektrinis variklis neturi mechaninių apribojimų kaip stūmokliai, vožtuvai ar kiti judančios dalys. Kai srovė pradeda tekėti, magnetinis laukas atsiranda akimirksniu, ir rotoriaus sukimas prasideda iškart su maksimalia jėga. Vidaus degimo varikliui reikia laiko, kad oro-degalų mišinys būtų suslėgtas, uždegtas, sudegęs ir išstumtas – visas šis procesas užtrunka ir riboja galią žemose apsukose.
Be to, elektriniai varikliai veikia efektyviai labai plačiame apsukų diapazone. Daugelis jų gali suktis nuo 0 iki 15000-20000 apsukų per minutę be jokių pavarų dėžių. Kai kurie elektromobiliai iš viso neturi pavarų dėžės – tik vieną pavarą, kuri tiesiogiai sujungta su ratais. Tai sumažina mechaninių nuostolių ir padaro visą sistemą paprastesnę bei patikimesnę.
Šiluma, triukšmas ir kitos smulkmenos
Nors elektriniai varikliai yra daug efektyvesni už vidaus degimo variklius (apie 85-90% prieš 20-30%), jie vis tiek gamina šilumą. Daugiausia šilumos atsiranda dėl elektrinės varinės laidų varžos – kai srovė teka per laidus, dalis energijos neišvengiamai virsta šiluma. Todėl visi elektromobiliai turi aušinimo sistemas, paprastai naudojančias skystį, kuris cirkuliuoja per variklį ir inverterį.
Triukšmo elektriniai varikliai gamina minimaliai. Tas aukštas cypimas, kurį girdite kai kuriuose elektromobiliuose, dažniausiai kyla iš inverterio tranzistorių perjungimo dažnio arba iš paties variklio magnetinio lauko pulsacijų. Kai kurie gamintojai net specialiai prideda dirbtinį garsą, kad pėstieji išgirstų artėjantį automobilį – tylūs elektromobiliai gali būti pavojingi dėl to, kad jų negirdėti.
Mechaninis susidėvėjimas elektrinėse pavarose yra minimalus. Pagrindinės judančios dalys – tai guoliai, kurie laiko rotorių. Nėra tepalo, kuris reikėtų keisti, nėra žvakių, diržų ar grandinių. Teoriškai elektrinis variklis gali tarnauti visą automobilio gyvenimą be jokio rimtesnio aptarnavimo.
Kaip tai viskas dirba kartu kelyje
Kai sėdate į elektromobilį ir spaudžiate akseleratorių, įvyksta tokia įvykių grandinė: jūsų koja spaudžia pedalą, kuris iš tikrųjų yra tik elektroninis jutiklis. Šis signalas keliauja į pagrindinį kompiuterį, kuris apskaičiuoja, kiek galios reikia pagal esamą greitį, kelio sąlygas ir kitus parametrus. Tada kompiuteris siunčia komandas invereriui, kuris pradeda tiekti tiksliai dozuotą kintamos srovės energiją į variklio statoriaus apvijas.
Statoriaus elektromagnetai sukuria besisukantį magnetinį lauką, kuris traukia rotorių. Rotoriaus ašis tiesiogiai arba per paprastą reduktorių sujungta su ratais. Viskas vyksta beveik akimirksniu – nuo pedalo paspaudimo iki rato sukimosi praeina vos kelios milisekundės.
Kai važiuojate įvairiais greičiais, inverteris nuolat keičia srovės dažnį ir stiprumą. Norite greitai pagreitėti? Inverteris padidina srovės stiprumą ir dažnį. Norite palaikyti pastovų greitį? Inverteris tiekia tik tiek energijos, kiek reikia nugalėti oro pasipriešinimą ir ratų riedėjimo trinties jėgą. Stabdote? Variklis tampa generatoriumi, o inverteris dabar veikia atvirkščiai – paverčia mechaninę energiją atgal į elektros energiją ir krauną bateriją.
Ateities perspektyvos ir technologiniai šuoliai
Elektrinių variklių technologija nėra nauja – pirmieji elektromobiliai buvo sukurti dar XIX amžiaus pabaigoje. Bet pastarąjį dešimtmetį įvyko tikra revoliucija dėl pažangesnių magnetų, geresnės elektronikos ir protingesnių valdymo algoritmų.
Viena įdomiausių naujovių – varikliai su didesniais apsukų skaičiais. Kai kurie naujausi varikliai gali suktis iki 30000 apsukų per minutę, o tai reiškia, kad jie gali būti mažesni ir lengvesni, bet vis tiek galingi. Mažesnis variklis – tai mažesnė masė, o lengvesnis automobilis – tai didesnis nuvažiuojamas atstumas.
Kita kryptis – varikliai be retųjų žemių elementų. Neodimio magnetai, naudojami daugelyje šiuolaikinių elektrinių variklių, yra brangūs ir jų gavyba kelia aplinkosaugos problemų. Todėl inžinieriai kuria efektyvius variklius, kurie naudoja įprastesnius ir pigesnius materiālus. Sinchroniniai reaktyviniai varikliai ir patobulinti indukcijos varikliai – tai kelias į pigesnę ir ekologiškesnę elektromobilių ateitį.
Integruoti varikliai rateliuose – dar viena įdomi koncepcija. Vietoj centrinio variklio, kiekvienas ratas turi savo mažą variklį. Tai leidžia tiksliau valdyti kiekvieno rato sukimą, pagerina stabilumą ir leidžia sukurti kompaktiškesnius automobilius. Tiesa, tokia sistema turi ir iššūkių – ratų varikliai turi atlaikyti smūgius, purvą, drėgmę ir temperatūros svyravimus.
Kai technologija tampa kasdienybiškumu
Žvelgiant į elektrinių variklių veikimą, stebina, kaip sudėtinga technologija gali būti tokia paprasta naudojime. Spaudžiate pedalą – važiuojate. Atleidžiate – stabdote ir net kraunate bateriją. Nėra pavarų, nėra sankabos, nėra sudėtingų techninių aptarnavimų. Tai technologijos grožis – kai ji veikia taip sklandžiai, kad apie ją net negalvoji.
Elektriniai varikliai keičia ne tik tai, kaip mes važiuojame, bet ir kaip suprantame transportą apskritai. Jie tylūs, todėl miestai tampa tylūs. Jie efektyvūs, todėl mažiau energijos švaistomos. Jie paprasti, todėl mažiau daiktų gali sugesti. Ir nors baterijos technologija vis dar tobulėja, pats variklis jau dabar yra beveik tobulas – paprastas, patikimas ir galingas įrenginys, kuris tikriausiai tarnaus daug ilgiau nei bet kuri kita automobilio dalis.
Taigi kai kitą kartą pamatysite tyliai praslystantį elektromobilį, prisiminkite – jo viduje sukasi ne sudėtingas mechanizmas su tūkstančiais dalių, o elegantiškas magnetų šokis, valdomas elektronikos, kuris paverčia elektros energiją į judėjimą. Ir tai veikia nuostabiai gerai.