Высокое напряжение - объяснение электродвигателей Porsche

Создав новаторский двигатель Porsche Taycan, Цуффенхаузен продолжает свои традиции новаторства. Вот как работают электродвигатели.

Вложение 378

Пожалуйста, откиньтесь на спинку кресла. Если вы полностью нажмете педаль акселератора в Porsche Taycan Turbo S, у вас появится 12 000 причин выбрать устойчивое положение для сидения. Водитель и пассажиры вдавливаются в обивку таким образом, что у них почти захватывает дух, когда топ-модель спортивного электрического автомобиля развивает общий крутящий момент в 12000 Нм на всех четырех колесах одновременно (Taycan Turbo S: выбросы CO2 в сумме 0 г. / км, комбинированный расход электроэнергии 28,5 кВтч / 100 км). Концентрированная мощность полностью разряжается без каких-либо задержек, а тяга двух электродвигателей на передней и задней осях остается практически неизменной до максимальной скорости.

Эта доза адреналина - активный ингредиент уникальной технологии привода Porsche. Неслучайно известный Центр автомобильного менеджмента (CAM) объявил Taycan самой инновационной моделью в мире 2020 года. Для Porsche инновации всегда означали доведение технологий до предела. В данном случае это означает не что иное, как использование потенциала электропривода так, как никто раньше не делал.

Porsche не придумал эту концепцию буквально вчера. Или даже накануне. На самом деле это было более 120 лет назад. В то время молодой Фердинанд Порше впервые в мире разработал свой первый электромобиль с моторами с управляемыми колесами. Возможности, предоставляемые электромобильностью, подстегнули его спортивные амбиции, и его гоночный автомобиль, оснащенный четырьмя электрическими колесными двигателями, стал первым в мире полноприводным легковым автомобилем.

Вложение 379
Электростанция: электродвигатель и двухступенчатая коробка передач (передняя) расположены параллельно задней оси. Силовая электроника расположена сверху.


Простые двигатели постоянного тока прошлых лет давно были заменены более сложными машинами. Однако основной физический принцип остался прежним: магнетизм. Магнит всегда состоит из северного и южного полюсов. Неравные полюса привлекают; равные полюса отталкиваются. С одной стороны, это постоянные магниты, основанные на взаимодействии элементарных частиц. С другой стороны, магнитные поля также возникают каждый раз при перемещении электрического заряда. Чтобы усилить электромагнетизм в игре, проводник с током в электродвигателе выполнен в виде катушки. Электромагниты, а также - в зависимости от конструкции двигателя - постоянные магниты, состоят из двух компонентов. Неподвижная часть называется статором, вращающаяся часть - ротором. Периодическое включение и выключение электрического напряжения создает силы притяжения и отталкивания, которые вызывают вращательное движение ротора.

Не каждый тип электродвигателя подходит для приведения в движение транспортного средства. Porsche использует синхронную машину с постоянным возбуждением (PSM). По сравнению с преимущественно используемой конструкцией - менее дорогостоящей асинхронной машиной (ASM) - PSM предлагает более высокую непрерывную мощность, поскольку он менее легко перегревается и, следовательно, не требует отключения. PSM Porsche питается и управляется силовой электроникой с трехфазным переменным напряжением: скорость двигателя определяется частотой, с которой переменное напряжение колеблется вокруг нулевой точки от плюса до минуса. В двигателях Taycan импульсный инвертор устанавливает частоту вращающегося поля в статоре, таким образом регулируя скорость ротора.

Вложение 380
Центральная часть: статор электродвигателя по существу состоит из круглых дисков из листового металла, уложенных в трубку, и медных катушек. П-образно изогнутые проволоки вставляются в зазоры в трубке и соединяются между собой.

Ротор содержит высококачественные постоянные магниты из сплавов неодима, железа и бора, которые в процессе производства постоянно намагничиваются сильным направленным магнитным полем. Постоянные магниты также обеспечивают очень высокую степень рекуперации энергии за счет рекуперации во время торможения. В режиме выбега электродвигатель переходит в регенеративный режим, в то время как магниты индуцируют напряжение и ток в обмотке статора. Электромотор Porsche по рекуперации является лучшим среди конкурентов.

Технологии доведены до предела: этот ген Porsche отражен в особой особенности двигателей Taycan, известной как шпилька намотки. В этой обмотке катушки статора состоят из проводов не круглой, а прямоугольной формы. И в отличие от классических процессов намотки, когда медная проволока получается из бесконечной катушки, технология шпильки известна как процесс сборки на основе формования. Это означает, что прямоугольный медный провод делится на отдельные участки и изгибается U-образно, как шпилька. Эти отдельные «шпильки» вставляются в пластинки статора, в которых установлена обмотка, таким образом, чтобы поверхности прямоугольного поперечного сечения лежали друг на друге.

Вложение 381
Компактность: привод передней оси Taycan спроектирован так, чтобы занимать еще больше места, чем задний привод. Двигатель и коробка передач расположены соосно; ротор, коробка передач и полуоси расположены на одной линии.

Это решающее преимущество шпилечной технологии: она позволяет уплотнять провода более плотно, тем самым добавляя больше меди к статору. В то время как традиционные методы намотки имеют коэффициент заполнения медью, как известно, около 50 процентов, технология, используемая Porsche, имеет коэффициент заполнения почти 70 процентов. Это увеличивает мощность и крутящий момент при том же пространстве для установки. Концы проволоки «шпильки» свариваются лазером, образуя катушку. Еще одно важное преимущество состоит в том, что однородный контакт между соседними медными проводами улучшает теплопередачу, а статор шпильки можно охлаждать гораздо эффективнее. Электродвигатели преобразуют более 90 процентов энергии в двигательную установку. Но, как и в двигателе внутреннего сгорания, потери преобразуются в тепло, которое необходимо отвести. Поэтому у двигателей есть рубашка с охлаждающей водой.

Чтобы точно управлять синхронным двигателем с постоянным возбуждением, силовая электроника должна знать точное угловое положение ротора. Для этого и нужен резолвер. Он состоит из диска ротора из полнопроводящего металла, катушки возбудителя и двух катушек приемника. Катушка возбудителя создает магнитное поле, которое передается через энкодер на приемные обмотки. Это индуцирует напряжение в приемных катушках, положение фазы которых сдвигается пропорционально положению ротора. Система управления может использовать эту информацию для расчета точного углового положения ротора. Эта система управления, известная как импульсный инвертор, является кульминацией опыта Porsche. Он отвечает за преобразование постоянного тока батареи с напряжением 800 вольт в переменный ток и подачу его на два электродвигателя.

Вложение 382
Масса маховика: ротор заполнен постоянными магнитами, имеющими V-образную форму.

Porsche был первым производителем, установившим уровень напряжения 800 вольт. Первоначально разработанное для гоночного автомобиля Porsche 919 Hybrid, это напряжение теперь снижает вес и пространство для установки при серийном производстве благодаря более компактным кабелям, что сокращает время зарядки. Электродвигатели развивают до 16 000 оборотов в минуту. Чтобы оптимально использовать этот диапазон скоростей для характерного для Porsche разницы между динамикой, эффективностью и максимальной скоростью, каждый передний и задний приводы имеют свою собственную трансмиссию. Taycan - это первый спортивный электромобиль, который когда-либо имел трансмиссию с двумя переключаемыми передачами на задней оси, первая из которых имеет очень короткое передаточное число. На передней оси входной планетарный редуктор передает мощность на колеса.

Все это вместе дает Taycan Turbo S его огромные возможности. На передней оси передаточное число преобразует 440 Нм, создаваемые электродвигателем, примерно в 3000 Нм на колесах. Приблизительно 610 Нм от двигателя задней оси умножаются на первой передаче до примерно 9000 Нм крутящего момента оси. Задача второй передачи с более длинным передаточным числом - обеспечить КПД и запас мощности на высокой скорости. Новаторские передовые технологии до мельчайших деталей - продолжение традиций инноваций Porsche в эпоху электропривода.

Информация
Текст впервые опубликован в журнале Porsche Christophorus, № 398.

https://newsroom.porsche.com/en/2021...398-23809.html