CC BY
245Методика выбора тягового электродвигателя для электромобиля
и
у
а
г
*
а о
Салимоненко Григорий Николаевич,
аспирант, кафедра автомобильного транспорта (АвТ), Южно-Уральский Государственный Университет (ЮУрГУ (НИУ)), [email protected]
Назаров Максим Валерьевич,
магистр, кафедра летательные аппараты (ЛА), Южно-Уральский Государственный Университет (ЮУрГУ (НИУ)), [email protected]
Лопухов Александр Викторович,
бакалавр, кафедра автомобильного транспорта (АвТ), Южно-Уральский Государственный Университет (ЮУрГУ (НИУ)), [email protected]
Союстов Антон Александрович,
бакалавр, кафедра автомобильного транспорта (АвТ), Южно-Уральский Государственный Университет (ЮУрГУ (НИУ)), [email protected]
В статье рассмотрена необходимость перехода на экологически чистый автомобильный транспорт, учитывая рост автомобилизации населения в крупных городах. Особо отмечено, что перемещение с помощью личного автомобиля наиболее негативно влияет на экологическую обстановку в городе. В работе замечено что автомобили генерируют выбросы как газообразных веществ, так и твёрдой пыли. Приводится методика расчёта основных параметров электродвигателя для компактного городского электромобиля с учётом сопротивления качению и наклона дорожного полотна. Приведен расчет минимального крутящего момента и мощности электродвигателя. Сделан вывод о наиболее подходящем типе электродвигателя для данной задачи. Расчёты, приведенные в статье, могут быть применены так же при выборе двигателя на более габаритный транспорт. Легковой автомобиль взят лишь для примера и сравнения полученных значений с действительностью. Ключевые слова: электромобиль, электродвигатель, городской транспорт, автотранспорт
Введение. Дорожно-транспортный комплекс играет ключевую роль в современной мировой экономике. Персональный и общественный пассажирский транспорт, как наиболее массовая часть, оказывает значительное воздействие на экологию. Проблема становиться особенно острой учитывая повышение автомобилизации населения в городах России [1].
В настоящее время не менее 60-70% загрязнений атмосферного воздуха в крупных городах приходятся на выбросы вредных веществ от персонального транспорта [2]. Вторым значимым фактором загрязнения является твёрдая пыль, образующаяся при стирании покрышек, тормозных колодок и прочих трущихся поверхностей [3].
Учитывая все негативные факторы автомобильная промышленность движется к полной электрификации транспортных средств, а учитывая размещение электрогенерирующих мощностей за пределами крупных городов можно ожидать значительного улучшения экологической ситуации в центральных районах.
Цель работы. Проведение предварительных расчётов необходимой мощности электродвигателя и его максимального крутящего момента, исходя из заданной максимальной скорости электромобиля и времени ускорения до этой скорости. По результатам предварительного расчёта подобрать наиболее подходящий тип электродвигателя исходя из таких параметров как срок службы, удельная мощность и КПД. В качестве исходных данных были взяты параметры, соответствующие среднестатистическому компактному городскому автомобилю, они приведены в таблице 1.
Таблица 1
Масса электромобиля ^и, кг 1200
Радиус ведущего колеса г, м 0,67
Максимальная скорость Vmax, м/с 42
Время разгона до максимальной скорости ^ с 25
Аэродинамический коэффициент силы лобового сопротивления о* 0,5
Площадь лобового сопротивления воздуха А, м2 1,6
КПД трансмиссии Пь- 0,9
Передаточное число главной передачи н 12
Расчёт мощности электродвигателя. Тягово-скоростные характеристики машины определяют-
ся характеристиками тягового электродвигателя, первой основной такой характеристикой является мощность двигателя. Используя общее аналитическое выражение [4], выполним расчет мощности электродвигателя электромобиля:
П1 а ■ а ■ Гк ■ Ушак -Ь 0,5 '.у р е 0 ЕД ■ А'У |1ак ^
•кг '
где та - масса электромобиля, кг; д - ускорение свободного падения на Земле, м/с2; -коэффициент зависимости сопротивления качению от скорости; Утах - максимальная скорость электромобиля, м/с; сх - аэродинамический коэффициент силы лобового сопротивления; рвозд - плотность воздуха, кг/м3; А - площадь лобового сопротивления воздуха, м2; п^ - КПД трансмиссии.
Коэффициент зависимости сопротивления качению (к от скорости определяется следующим аналитическим выражением [4]: Гк = 1ч-(1 "ЬАгУ^, (2) где - коэффициент сопротивления качению; А( - коэффициент зависимости сопротивления качению шины от скорости.
Числовые значения для подстановки в формулы (1) и (2) берутся из таблиц 1 и 2.
Таблица 2
Ускорение свободного падения на Земле д, м/с2 9,91
Коэффициент сопротивления качению (0 0,015
Плотность воздуха рвозд, кг/м3 1,202
Коэффициент зависимости сопротивления качению шины от скорости А( м2/с2 5,1104
Угол наклона дороги к горизонтали а, ° 0
Передаточное число главной передачи и 12
Коэффициент зависимости сопротивления качению % рассчитывается по формуле (2):
£к = £о-а+Аг<ж) = 0-028.
Подставляя числовые значения в формулу расчёта необходимой мощности Ррасч электродвигателя (1), получается:
Рраи = + = н% кВт.
%г
Расчёт пикового крутящего момента на валу электродвигателя. Второй важной характеристикой любого электропривода является крутящий момент на валу электродвигателя. От величины крутящего момента зависит время разгона автомобиля до необходимой скорости и так же чем выше крутящий момент электродвигателя, тем меньшее передаточное соотношение должен иметь редуктор, это повышает общий КПД трансмиссии.
Чтобы найти минимальный крутящий момент используется следующее общее аналитическое выражение [4]:
ш ■ она -I- ш ■ е- шш -¡- 0-5 ■ 1 ■ А ■ ш- а ■ ст1 г
М=-^—I—I-
Чи- V !1
где а - угол наклона дороги к горизонтали; аг - коэффициент коррекции вращающихся масс; 1р - время разгона электромобиля до максимальной скорости, с; г - радиус ведущего колеса, м; Ь - передаточное число коробки передач; И - передаточное число главной передачи.
Подставляя числовые значения в формулу для расчёта минимального крутящего момента
М
расч
на валу электродвигателя (3), получается:
(4 ■ ш ■ §■ ока+тзнж + 05 -с,- ■ рщ,. ■ & + т а ■ ■ г
Мщвог
'¡И' ¡1
М^ = 198 Н
м.
Достоинства и недостатки различных типов электродвигателей. Для тягового привода в различных областях применяются коллекторные двигатели постоянного тока (ДПТ), асинхронные и синхронные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов [5], последние два типа не имеют щёточно-коллекторного узла и их срок службы определяется только износом подшипников ротора и скоростью старения изоляции обмоток.
Коллекторные тяговые ДПТ состоят из многополюсного ротора с обмоткой, щёточно-коллекторного узла, служащего для коммутации обмоток ротора, и статора с обмоткой возбуждения. Достоинства этого типа двигателей постоянного тока: высокая перегрузочная способностью, широкий диапазон регулирования скорости. Недостатки: низкая надежность и низкий срок службы из-за наличия щёточно-коллекторного узла, обладает худшими массогабаритными показателями в сравнении с другими двигателями.
Трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, они превосходят двигатели постоянного тока по массогабарит-ным показателям, так же отличаются высокой надёжностью и высоким сроком службы. Их основными недостатками считаются низкий пусковой момент и значительный пусковой ток.
Синхронные электродвигатели с постоянными магнитами обладают всеми достоинствами других типов электродвигателей. Недостатками данной машины является наличие дорогих постоянных редкоземельных магнитов и невысокая индуктивность статорных обмоток [6]. Достоинства таких двигателей: высокая перегрузочная способность по моменту, высокий КПД (выше 90 %), большой срок службы и высокая надёжность. Из недостатков стоит отметить сложную систему управления данным типом двигателей, включающую в себя датчик абсолютного положения ротора, высокоскоростной инвертор и необходимость наличия микропроцессора.
В таблице 3 приведены основные сравнительные характеристики тяговых электроприво-
О 55 К* £
55 П П 1
дов с коллекторными ДПТ, асинхронными и синхронными с возбуждением от постоянных магнитов [7].
Таблица 3
Основные сравнительные характеристики тяговых элек-
*
О
у
а
Параметры Тип тягового электропривода
Коллекторный дпТ Асинхронный Синхронный
Мощность, кВт 40 40 40
Масса двигателя, кг 92 70 27
КПД, % 75 86 94
Отношение мощности к массе, кВт/кг 0,43 0,57 1,48
s
*
а б
Для электромобиля оптимальным является синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов. Поскольку обладает высоким КПД, порядка 94% и высоким отношением мощности к массе, больше единицы.
Заключение. Учитывая современные требования по снижению массы и габаритов, а также повышением КПД электроприводов. Это особенно важно для электротранспорта с аккумуляторным накопителем энергии, поскольку современные аккумуляторные батареи обладают сравнительно невысоким соотношением запасаемой энергии к кг, тем самым даже незначительное снижение массы трансмиссии и увеличение её КПД значительным образом сказываются на запасе хода электромобиля.
Необходимая эффективность работы связки электродвигатель - механическая трансмиссия достигается только применением тяговых синхронных электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов.
Литература
1. Сидорова, С.Н. Обоснование выбора способа передвижения населения в условиях города / С.Н. Сидорова // Вестник КузГТУ. Серия «Социология». - 2015. - №6. - С. 243-247.
2. Ляпкало, А.А. Динамика интенсивности движения городского автомобильного транспорта и загрязнения атмосферного воздуха его выбросами / А.А. Ляпкало, А.А. Дементьев, А.М. Цурган // Российский медико-биологический вестник им. академика И.П. Павлова, Серия «Оригинальные исследования». - 2012. - №4. -С.58-62.
3. Азаров, В.К. О выбросе твердых частиц автомобильным транспортом / В.К. Азаров, В.Ф. Кутенев, В.В. Степанов // Журнал автомобильных инженеров. - 2012. - №6 (77). - С. 55-58.
4. Loek marquenie, Design of an energy efficient high performance drive train // Eindhoven university of technology. - 2010. - 115 p.
5. Слепцов М.А. Основы электрического транспорта / М.А. Слепцов, Г.П. Долаберидзе, А.В.
Прокопович, Т.И. Савинова, В.Д. Тулупов. - М: Издательский центр "Академия", 2006. - 464 с.
6. Чернышев, А.Д. Сравнительный анализ различных типов электрических двигателей в составе тягового привода электрической трансмиссии / А.Д. Чернышев // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. - 2016. -Том. 3. - №3. С. 47-54.
7. Гурьянов Д.И. Концепция гибридного микроавтобуса с индивидуальным электроприводом колёс // Приоритеты развития отечественного автотракторостроения: Тезисы докл. XXXIX Ме-ждунар. научно-техн. конф. - М.: Изд-во МГТУ «МАМИ», 2002. - С. 12-15.
Technique of the choice of the traction electric motor for the
electric vehicle Salimonenko G.N., Nazarov M.V., Lopukhov A.V., Soyustov A.A.
Southern Ural State University
The article deals with the need for a transition to an ecologically clean road transport, given the increase in motorization population in large cities. Stressed that move by using a personal car most adversely affects the ecological situation in the city. In the work of the noted that cars generate emissions as gaseous substances and solid dust. The technique of calculation of basic parameters of the motor for a compact urban electric vehicle with considering the rolling resistance and pavement slope. Calculation of minimum torque and power of an electric motor. Concluded that the most appropriate motor type for this task. The calculations shown in this article can be applied in the same way when choosing the engine for more dimensional transport. Cars are taken only as an example and compare the values obtained with the reality. Keywords: electric car, electric motor, urban transport, motor transport
References
1. Sidorova, S.N. Justification of the choice of a way of movement of the population in the conditions of the city / S.N. Sidorova//the Messenger of KUZGTU. Sociology series. - 2015. - No. 6. - Page 243-247.
2. Lyapkalo, A.A. Dinamika of intensity of the movement of the
city motor transport and pollution of an atmospheric air its emissions / A.A. Lyapkalo, A.A. Dementiev, A.M. Tsurgan//the Russian medicobiological messenger of the academician I.P. Pavlov, the Original Researches Series. -2012. - No. 4. - Page 58-62.
3. Azarov, V.K. O emission of firm particles by the motor transport / V.K. Azarov, V.F. Kutenev, V.V. Stepanov//Magazine of automobile engineers. - 2012. - No. 6 (77). - Page 55-58.
4. Loek marquenie, Design of an energy efficient high performance drive train//Eindhoven university of technology.
- 2010. - 115 p.
5. Sleptsov M.A. Bases of electric transport/M. A. Sleptsov, G.P.
Dolaberidze, A.V. Prokopovich, T.I. Savinova, V.D. Tulupov.
- M: Publishing center "Akademiya", 2006. - 464 pages.
6. Chernyshev, A.D. Comparative analysis of different types of electric engines as a part of the traction drive of electric transmission / A.D. Chernyshev//the Electrician: network online scientific magazine. - 2016. - Tom. 3. - No. 3. Page 47-54.
7. Guryanov D.I. The concept of the hybrid minibus with the
individual electric drive of wheels//Priorities of development of domestic autotractor construction: Theses докл. XXXIX Mezhdunar. scientific техн. конф. - M.: MAMI MSTU publishing house, 2002. - Page 12-15.
