Как устроен мотор-генератор в силовой установке машины Формулы 1
После долгого перерыва возвращаемся к материалам о силовой установке машины Ф1, в июльской колонке Пэт Симондс рассказывал про один из важных ее элементов. А уже в следующий раз обратимся к одному из моментов истории...
Рассмотрим один из важнейших компонентов нынешних гибридных силовых установок – мотор-генератор (motor generator unit – MGU). Это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Но процесс может протекать и в обратную сторону, механическая энергия может переходить в электрическую, тогда он будет работать, как генератор, отсюда и название. Механизм состоит из нескольких элементов, главный – ротор в центре, который крутится и обеспечивает движение, и статор, который расположен вокруг и неподвижен.
Мы знаем, что батареи хранят энергию и работают с постоянным током. Полюс батареи может быть или положительным, или отрицательным, так что логично предположить, что с батареей будет использоваться мотор с постоянным током. На протяжении многих лет так и было: в Великобритании, например, много электромобилей, которыми пользуются службы доставки. Большинство из них используют свинцово-кислотные батареи, которые вместе дают 60 вольт и подключены к мотору постоянным током. Управлять мотором просто, но он требует регулярного обслуживания, так как ток доставлялся через подпружиненные карбоновые щетинки.
Все современные электромобили используют моторы с переменным током. Но даже среди них есть различия. Самой простой формой мотора с переменным током является индукционный мотор. В нем ротор представляет собой совокупность проводящих стержней. Статор же содержит медную обмотку, через которую идет ток, и создается магнитное поле. Ток переключается с высокой частотой с использованием твердотельных переключателей, известных как биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ). Это действие переключения приводит к тому, что меняется магнитное поле, и таким образом наведенный ток в роторе создает вращающую силу или крутящий момент. Такой тип мотор-генератора используется на передней оси Tesla Model S, он хорош тем, что не требует редкоземельных магнитов, которые используются в других типах мотор-генераторов, но и его эффективность ниже.
Большинство автомобилей (включая заднюю ось Tesla Model S) используется так называемый синхронный двигатель с постоянными магнитами (СДПМ). Такой тип мотора-генератора используется и в автоспорте, в том числе в кинетическом и тепловом генераторах в текущих силовых установках машин Формулы 1. Такие моторы эффективнее индукционных, но требуют наличия магнита в роторе. Эти магниты очень мощные и делаются из неодима, который является редкоземельным веществом. Этот термин в данном случае немного неточен, так как в редкоземельных магнитах также часто содержится медь, цинк, поэтому их тяжело добывать и еще труднее очищать. И мест, где их можно добыть, не так много. Самый большой источник – Китай, страна добывает в четыре раза больше, чем США, которые занимают второе место.
Магниты располагаются близко к поверхности ротора, и это тоже непросто, ведь ротор вращается со скоростью около 125000 оборотов в минуту в случае теплового генератора (MGU-H), и центробежные силы постоянно пытаются «выбросить» магниты. Они удерживаются благодаря карбоновому кожуху вокруг ротора.
СДПМ требует более точного управления, а ротор требует охлаждения, чтобы магниты поддерживались в температурном режиме, при котором сохраняются их магнитные свойства. Также в СДПМ меньше потери энергии, чем в индукционном. Разница может быть лишь около 2%, но этого достаточно, чтобы СДПМ массово использовался в автомобилях.
Управление мотором – это управление током в катушках статора, чтобы продуцировалось магнитное поле. Оно взаимодействует с полем постоянных магнитов ротора, это рождает крутящий момент. Для этого используется инвертор, который в гибридной системе машины Формулы 1 является переключающим устройством из карбида кремния. Он быстрее и эффективнее, чем прежние, состоявшие только из кремния.
Инвертор преобразует постоянный ток в батареях в переменный ток, который нужен мотор-генератору. В автомобиле он также должен работать контроллером скорости мотор-генератора: инвертор меняет частоту выходного переменного тока. Это меняет скорость вращения магнитного поля в статоре и, следовательно, скорость его взаимодействия с магнитами ротора. Таким образом, ротор вращается с скоростью (частотой) тока в статоре, поэтому данный тип мотор-генератора называется синхронным. Инвертор может также менять амплитуду переменного тока для управления крутящим моментом мотора.
Моторы так же могут быть радиальными или осевыми. Радиальные более компактные в диаметре, но осевые сейчас набирают большую популярность, так как их удобно монтировать, например, между двигателем и коробкой передач.
Как и с аккумуляторными батареями мотор-генераторы могут быть совершенно разные, и у каждого будут свои достоинства и недостатки. В Формуле 1, как и в большинстве других случаев, побеждает самый эффективный вариант.
Это перевод статьи Пэта Симондса из журнала GP Racing UK за июль 2023.
Фото: MotorSportImages.com
Этот блог в соцсетях:
