0 
Если оглянуться назад и посмотреть, сколько всего изменилось за последние несколько сот лет, становится непонятным как люди раньше обходились без современных благ цивилизации. Это касается не только бытовых условий жилищного плана, но и усовершенствованных транспортных средств передвижения. Только подумайте, еще в 80-е года ХХ века, существующие сегодня автомобили, могли показаться выдумкой мира кино, но сейчас мы знаем, что некоторые из них могут питаться электричеством (электромобили), а другие уже взлетели над землей (аэромобили).
Пусть последний вариант еще не скоро придет в массовую эксплуат/ацию, но что касается машин, оборудованных электродвигателем, то их уже даже можно встретить на дорогах городов (взять ту же Toyota Prius). Так чем же таким примечателен электродвигатель, что это помогло ему завоевать всеобщее признание? Что бы разобраться в этом вопросе, мы сейчас проанализируем исторический путь развития электрического силового агрегата, рассмотрим особенности его видов, уделим внимание преимуществам и недостаткам, а также ознакомимся с возможными неисправностями и их причинами.
1. История применения электромоторов в конструкции автомобиля
Электродвигатель является электрическим преобразователем, способным трансформировать электроэнергию в ее механический вариант. Побочным эффектом такого действия выступает выделение определенного количества тепла.
Впервые, транспортные средства оснащенные электродвигателями, использующимися в качестве силовой установки автомобиля появились в 1880-х годах и сразу же завоевали всеобщую популярность. Такое явление объясняется достаточно просто: на стыке XIX-XX веков двигатели внутреннего сгорания имели кучу недостатков, которые выставляли новинку в очень даже выгодном свете, так как ее характеристики значительно превосходили ДВС. Однако, прошло не так много времени и, благодаря увеличению мощности бензиновых и дизельных двигателей, об электромоторах забыли на долгие десятилетия. Очередная волна интереса к ним вернулась только в 70-х годах ХХ века, в эпоху Великого нефтяного кризиса, но до массового производства дело опять не дошло.
Настоящей эпохой Возрождения для электродвигателей гибридных автомобилей и электромобилей является первое десятилетие XXI века. Этому способствовало сразу несколько факторов: с одной стороны, стремительное развитие компьютерных технологий и электроники позволили осуществлять контроль и экономить заряд батареи, а с другой – постепенно возрастающие цены на нефтетопливо, заставили потребителей искать новые, альтернативные источники энергии.
В общем, всю историю развития электродвигателей можно разделить на три периода:
Первый (начальный) период, охватывает 1821-1834 года ХІХ века. Именно в это время начали появляться первые физические приборы, с помощью которых проводилась демонстрация непрерывного преобразования электроэнергии в энергию механическую. Исследования М.Фарадея в 1821 году, которые проводились с целью изучения взаимодействия проводников с током и магнитом, показали, что электрический ток может вызывать вращение проводника кругом магнита или же наоборот – магнита вокруг проводника. Результаты опытов Фарадея подтвердили реальную возможность построения электродвигателя, а многие исследователи, уже тогда, предлагали различные их конструкции.
Второй этап на пути развития электрических моторов начался с 1834 года и закончился в 1860 году. Он характеризовался изобретением конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря, но крутящий момент вала таких двигателей, как правило, был резко пульсирующим. 1834 год ознаменовался созданием первого в мире электрического мотора постоянного тока, создатель которого (Б.С. Якоби) реализовал в нем принцип прямого вращения подвижной части силового агрегата. В 1838 году, были проведены испытания данного двигателя, для чего его установили на лодку и отпустили в вольное плаванье по Неве. Таким образом, разработка Якоби получила первое практическое применение.
Третьим этапом в развитии электродвигателей, принято считать временной промежуток с 1860 по 1887 год, который связывают с разработкой конструкции, имеющей кольцевой неявнополюсный якорь и практически постоянно вращающийся момент. В этот период стоит отметить изобретение итальянского ученного А. Пачинотти, разработавшего конструкцию электродвигателя состоящего из кольцеобразного якоря, который вращался в магнитном поле электрических магнитов. Подвод тока осуществлялся с помощью роликов, а электромагнитная обмотка включалась последовательно с обмоткой якоря. Другими словами: возбуждения электромашины проходили последовательно. Отличительной особенностью электродвигателя Пачинотти стала замена явнополюсного якоря на неявнополюсной.
2. Виды электродвигателей
Если говорить про современные электродвигатели, то они имеют довольно широкое видовое разнообразие, а к наиболее известным из них относятся:
- двигатели переменного и постоянного тока;
- однофазные и многофазные двигатели;
- шаговый;
- вентильный и универсальный коллекторный двигатель.
Двигатели постоянного и переменного тока, а также универсальные моторы, входят в состав широко известных магнитоэлектрических силовых агрегатов. Давайте ознакомимся с каждым из видов более детально.
Двигатели постоянного тока являются электрическими двигателями, для питания которых требуется наличие источника постоянного тока. В свою очередь, исходя из наличия щеточно-коллекторного узла, данный вид подразделяется на коллекторные и бесколлекторные моторы.
Также, благодаря названному узлу, обеспечивается электросоединение цепей неподвижной и вращающейся части агрегата, что делает его наиболее уязвимым и сложным в обслуживании элементом.
За типом возбуждения, все коллекторные виды снова разделяются на подвиды:
- силовые установки с независимым возбуждением (идет от постоянных магнитов и электромагнитов);
- двигатели с самовозбуждением (делятся на параллельные, последовательные и моторы смешанного возбуждения).
Бесколлекторный вид электродвигателей (их называют еще «вентильные») – это устройства, представлены в виде замкнутой системы, в которой используется датчик положения ротора, системы управления, инвертора (силовой полупроводниковый преобразователь). Принцип действия указанных двигателей такой же как и у представителей синхронной группы.
В электродвигателе переменного тока, как следует из названия, используется питание переменного тока. Исходя из принципа работы, такие устройства делятся на синхронные и асинхронные двигатели. В синхронных двигателях, ротор вращается вместе с магнитным полем поступающего напряжения, что позволяет использовать эти двигатели при больших мощностях. Выделяют два вида синхронных моторов – шаговые и вентильные реактивные электродвигатели.
Асинхронные электродвигатели, как и предыдущий вариант, являются представителями электрических двигателей переменного тока, в которых частота вращения ротора несколько отличается от аналогичной частоты вращающего магнитного поля. На сегодняшний день, именно этот вид наиболее часто встречается в эксплуатации. Также, все двигатели переменного тока разделяются на подвиды в зависимости от количества фаз. Выделяют:
- однофазные (запускаются вручную или оборудованы пусковой обмоткой, либо же имеют фазосдвигающую цепь);
- двухфазные (в т.ч. и кондинсаторные);
- трехфазные;
- многофазные.
Коллекторный двигатель универсального типа – это устройство, которое способно работать как на постоянном, так и на переменном токе. Такие моторы оборудуются только последовательной обмоткой возбуждения мощностью до 200 Вт. Статор имеет шихтованную конструкцию и изготавливается из специальной электротехнической стали. Обмотка возбуждения имеет два рабочих режима: при переменном токе она включается частично, а при постоянном – полностью. Обычно, такие устройства применяются в электроинструментах или каких-то других бытовых аппаратах.
Электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока есть синхронный двигатель, имеющий датчик положения ротора и инвертор. Проще говоря, универсальный коллекторный мотор и есть электродвигателем постоянного тока, обмотки возбуждения которого последовательно включены, идеально оптимизированные для работы на переменном токе. Независимо от полярности поступающего напряжения, данный тип силовых установок вращается в одну сторону, ведь за счет последовательного соединения обмоток ротора и статора, полюсы их магнитных полей меняются одновременно, а значит, результирующий момент продолжает оставаться направленным в одну сторону.
Что бы обеспечить работоспособность на переменном токе, используется статор, изготовленный из магнитно-мягкого материала, обладающего малым гистерезисом (сопротивление процессу перемагничивания), а для уменьшения потерь на вихревые потоки, конструкция статора выполняется из изолированных пластин. Достоинством работы электродвигателя переменного тока есть то, что при малых оборотах (пуск, перезагрузка), потребляемый ток, а соответственно, и максимальный момент двигателя ограничиваются индуктивным сопротивлением обмоток статора.
С целью сближения механических характеристик двигателей общего назначения, часто используется секционирование обмоток статора, тоесть для подключения переменного тока создаются отдельные выводы и уменьшается число витков обмотки.
Принцип работы синхронного электродвигателя возвратно-поступательного движения основывается на том, что подвижная часть мотора, представлена в виде постоянных магнитов, которые закреплены на штоке. Сквозь неподвижные обмотки, проходит переменный ток, а постоянные магниты, поддающиеся влиянию магнитного поля, возвратно-поступательным образом перемещают шток.
Еще одна классификация, позволяющая выделить очередные несколько видов электродвигателей, основывается на степени защиты окружающей среды. Исходя из этого параметра, электрические силовые установки могут быть защищенными, закрытыми и взрывозащищенными.
Защищенные варианты, закрываются специальными заслонками, предохраняющими механизм от попадания различных посторонних предметов. Они используются там, где нет повышенной влажности и особого состава воздуха (без примесей пыли, дыма, газов и химических веществ).
Закрытые виды, помещаются в специальную оболочку, препятствующую попаданию газов, пыли, влаги и прочих элементов, которые могут нанести вред механизму мотора. Эти устройства могут быть герметичными и негерметичными.
Взрывозащищенные механизмы. Устанавливаются в корпус, который в случае взрыва мотора способен будет защитить от повреждений остальные части устройства, предотвратив тем самым, возникновение пожара.
Выбирая электродвигатель, обратите свое внимание на рабочую среду механизма. Если, например, воздух не содержит никаких посторонних примесей, которые могут нанести ему вред, то вместо тяжелого и дорогого закрытого двигателя лучше приобрести защищенный. Отдельным пунктом, также, стоит вспомнить и о встроенном электродвигателе, который не имеет собственной оболочки и является частью конструкции рабочего механизма.
3. Преимущества и недостатки электродвигателей
Как и любое другое устройство, электрический двигатель не есть «безгрешным» , а значит наряду с неоспоримыми преимуществами имеет и определенные недостатки. Начнем, пожалуй, с положительных моментов использования, к которым относятся:
1. Отсутствие потерь на трение при трансмиссии;
2. Коэффициент полезного действия тягового электродвигателя достигает 90-95%, в то время как аналогичный показатель двигателя внутреннего сгорания только 22-60%;
3. Максимальное значение крутящего момента ТЭД (тяговой электродвигатель) достигается уже с начала движения, в момент запуска мотора, поэтому, коробка передач здесь просто не нужна.
4. Стоимость эксплуатации и обслуживания сравнительно ниже чем у ДВС;
5. Отсутствие токсичных выхлопных газов;
6. Высокий уровень экологичности (не применяются нефтяные топлива, антифризы и моторные масла);
7. Минимальная возможность взрыва при аварии;
8. Простая конструкция и управление, высокий уровень надежности и долговечности экипажной части;
9. Наличие возможности подзарядки от обычной бытовой розетки;
10. Уменьшение шума путем меньшего количества подвижных частей и механических передач;
11. Увеличение плавности хода с широким частотным интервалом изменения вращения вала мотора;
12. Возможность подзарядки в процессе рекуперативного торможения;
13. Возможность применения в качестве тормоза самого электрического двигателя (функция электромагнитного тормоза). Механический вариант, представителей тормозной системы отсутствует, что помогает избежать трения, а следовательно и износа тормозов.
Учитывая вышесказанное, можно прийти к логическому заключению, что автомобиль, оборудованный электродвигателем, примерно в 3-4 раза эффективнее своих бензиновых собратьев. Однако, как мы уже говорили, недостатки все же имеются:
- время работы мотора ограничивается максимально возможным объемом аккумуляторов, тоесть по сравнению с ДВС, у них намного меньший пробег на одной заправке;
- более высокая стоимость, но есть шанс, что с началом массового серийного производства - цена уменьшиться;
- необходимость использования дополнительных аксессуаров (например, довольно тяжелых аккумуляторов весом от 15 до 30 килограмм и специальных зарядных устройств, которые предназначаются под глубокий разряд).
Как видите, основных недостатков не так уж и много, а со временем их количество будет продолжать стремительно падать, ведь автомобильные инженеры и конструктора с каждым последующим выпуском продукции будут делать «работу над ошибками».
4. Выявление и устранение неполадок в работе электродвигателя
К сожалению, при всех своих положительных сторонах, электродвигатель, как и любое другое устройство, не защищен от поломок и периодически выходит из строя. К наиболее распространенным неисправностям электромоторов относят:
При запуске двигателя он сильно гудит. Возможными причинами такого явления могут быть снижение или полное отсутствие напряжения в питающей сети; неправильное расположение начала и конца фазы обмотки статора; перегрузка двигателя или неисправность в приводном механизме. Естественно, для устранения возникших проблем нужно либо найти и устранить неисправность, либо совершить пере подсоединение, но уже по правильной схеме, либо снизить нагрузку или ликвидировать неисправность в приводном механизме.
Работающий двигатель резко останавливает свою работу. Возможные причины: прекратилась подача напряжения; возникли сбои в работе аппаратуры распредустройства и сети питания; заклинило мотор или механизм привода; сработала система защиты.
Для устранения поломок следует: найти и устранить разрыв в цепи; ликвидировать неисправности в аппаратуре распределительного устройства и сети питания; отремонтировать приводной механизм; провести диагностику статора и при необходимости провести ремонтные мероприятия.
Вал вращается, однако не может достигнуть нормальной частоты вращения. Возможные причины: в процессе разгона автомобиля, одна из фаз отключилась; снизилось напряжение в сети; двигатель испытывает чрезмерную нагрузку. Устранить возникшие неисправности поможет поднятие напряжения; подключение отсоединившейся фазы и устранение перегрузки мотора.
Электродвигатель чрезмерно нагревается. Возможные причины: идет перегрузка по току; снизилось или повысилось напряжение в сети; повысилась температура окружающей среды; нарушилась нормальная вентиляция (забились вентиляционные каналы); нарушилась нормальная работа механизма привода.
Пути решения проблемы: обеспечить нормальный уровень нагрузки; установить оптимально допустимою температуру; прочистить каналы вентиляции; отремонтировать приводной механизм.
Мотор сильно гудит и не достигает нормальной частоты вращения. Возможные причины: возникло межвитковое замыкание в обмотке статора; заземление обмотки одной фазы сразу в двух местах; появление короткого замыкания между фазами; обрыв какой-то фазы. В этом случае, выход только один – придется менять статор.
Повышение вибрации работающего мотора. Возможные причины: низкая жесткость фундамента; погрешности в совместимости вала приводного механизма с валом мотора; недостаточно отбалансирована соединительная муфта или привод.
Выход из сложившейся ситуации: увеличить жесткость; отбалансировать и улучшить со относимость.
Повышенное нагревание подшипников. Возможные причины: повреждение подшипника; неверная центровка мотора с приводным механизмом. Решить образовавшиеся проблемы поможет правильная установка двигателя или замена подшипника.
Снижение сопротивления изоляции обмоток. Причины появления неисправностей в этом случае, кроятся в загрязнении или отсырении обмоток, а устранить их поможет просушка деталей.
