Статья опубликована в журнале «Транспорт. Транспортные сооружения. Экология».
Ситуация в российском автопроме сегодня парадоксальна: при государственной поддержке электромобилизации и растущем рынке отсутствует нормативная база для проверки электродвигателя под нагрузкой. Производители, разработчики и сертификационные центры вынуждены опираться на зарубежный опыт, детали которого часто являются коммерческой тайной, или пытаться адаптировать старые правила, составленные для бензиновых двигателей.
Существующий ГОСТ 14846-2020 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний» создан для двигателей внутреннего сгорания, поэтому его нельзя применять к электромоторам из-за принципиальных различий. Бензиновый или дизельный двигатель, если дать ему непосильную нагрузку, просто заглохнет. Электродвигатель же сохранит частоту вращения ротора и продолжит работать, при этом сила тока в его обмотках возрастет в разы, что приведет к стремительному нагреву. Это может вызвать нарушение изоляции, замыкание и отказ.
Кроме того, электромоторы способны развивать максимальное усилие «с места», на очень низких оборотах (в диапазоне от 0 до приблизительно 1000 об/мин), где обычный двигатель внутреннего сгорания работать не может. Помимо этого, их рабочий диапазон шире: они работают на частотах вращения, в полтора-два раза превышающих максимальные обороты бензиновых аналогов.
Все это требует другого испытательного оборудования. Для моделирования различных условий работы двигателя используют стенды и специальные испытательные установки. Стенд для электромотора должен уметь создавать усилие, в 2–3 раза превышающее его номинальную (паспортную) мощность. Такая перегрузка позволяет смоделировать экстремальные, но возможные в жизни ситуации — например, резкий обгон или затяжной подъём в гору с полным грузом. При испытаниях бензинового двигателя стенду было достаточно создать усилие, всего на 50% превышающее максимальное усилие самого двигателя.
В России готовых решений для испытаний автомобильных электромоторов под нагрузкой практически нет. Импортное оборудование либо недоступно, либо стоит очень дорого. Без серийных проверок на стенде, нельзя гарантировать безопасность и долговечность работы электрических двигателей, из-за чего нельзя наладить массовое производство собственных электромобилей.
Ученые Пермского Политеха разработали и предложили собственную методику на специально собранном для этого нагрузочном стенде. Комплекс, созданный на кафедре «Автомобили и технологические машины» ПНИПУ, позволяет исследовать поведение электродвигателей в экстремальных режимах и определять точные границы их безопасной эксплуатации.
Для экспериментальной апробации новой методики специалисты выбрали конкретный образец — серийный, малоразмерный асинхронный двигатель мощностью 1,1 кВт. Это самый распространённый и надёжный тип электромотора, где ротор вращается за счёт «скольжения» — небольшого отставания от вращающегося магнитного поля статора. Такая конструкция проста, долговечна и хорошо выдерживает перегрузки. Выбор сделан не случайно: на российском рынке доступен большой выбор подобных двигателей с разной мощностью и частотой вращения, кроме того, асинхронные электрические машины сегодня используют ведущие мировые автобренды, включая Tesla, Audi и Mercedes-Benz, например, модели Tesla Model 3, Y, X, Ora 03 GT, Mercedes-Benz EQC, Audi e-Tron.
Для испытаний собрали специальный стенд. Основой для него стал электромотор, к валу которого присоединили генератор. Этот генератор выполняет роль «электрического тормоза»: создаёт сопротивление, заставляя мотор работать под разной нагрузкой — от минимальной до предельной. Скорость вращения мотора управляется с помощью частотного преобразователя, который действует подобно педали газа. Силу «торможения» генератором можно плавно регулировать с пульта управления. Эта установка позволяет воссоздать на стенде любые дорожные условия: от спокойной езды до резкого ускорения или медленного подъёма. Всё это время специальные датчики замеряют следующие параметры: усилие, которое развивает мотор, частоту вращения и температуру его корпуса. Так инженеры видят, как ведёт себя двигатель в каждой конкретной ситуации и в какой момент он начинает опасно перегреваться.
Обычно, при испытаниях двигателей по стандартам, главным показателем на графиках является скорость вращения вала (обороты в минуту). Учёные Пермского Политеха предложили изменение: в качестве основного параметра они использовали частоту электрического тока (в герцах), подаваемого на мотор. Они сделали это потому, что в электромобиле, когда водитель нажимает на педаль газа, электронная система меняет именно частоту тока. Такой подход упрощает восприятие и обработку результатов испытании, делая их более понятными для инженеров, которые проектируют системы управления будущих автомобилей.
Мотор тестировали на разных режимах. Особое внимание уделяли рабочим параметрам, влияющим на нагрев электрического двигателя. Учёные определили для данного двигателя две ключевые температурные границы: критическая температура корпуса — 70 °C и максимально допустимая температура медных обмоток — 145 °C. Превышение этого внутреннего предела ведёт к необратимому повреждению изоляции и резкому сокращению срока службы.
Поэтому контроль температуры корпуса может стать надёжным, внешним индикатором процесса. Когда температура стабильно ниже 70 °C, скрытые обмотки гарантированно не перегреваются. Это позволит создать простую и эффективную систему управления двигателем, а датчик на корпусе при достижении порога в 65–70 °C автоматически подаст сигнал о необходимости ограничить ток, предотвратив разрушение двигателя изнутри.
Исследователи определили оптимальный диапазон для продолжительной работы двигателя, в котором он не выходит за допустимые значения по температуре в течение 30 минут работы. Тестируемый мотор выдал свою паспортную мощность в 1,1 кВт, работал с небольшим запасом до критического порога в 70°C.
— поясняет Николай Лобов, заведующий кафедрой «Автомобили и технологические машины» ПНИПУ, доктор технических наук.Испытания также позволили выявить режимы, при которых температура всего за несколько минут работы достигает опасной отметки, практически вплотную приближаясь к критическому порогу. Эти режимы не подходят для длительной работы электрического двигателя под нагрузкой,
Разработанная учёными методика создаёт универсальный инструмент для тестирования отечественных электродвигателей для электромобилей под нагрузкой. Дальнейшим направлением работы исследователей станет применение отработанной методики к другим типам электродвигателей, в первую очередь к синхронным.
Однако уже сейчас результаты могут быть использованы для всего цикла разработки и сертификации отечественных электромобилей. Полученные данные предоставляют инженерам-испытателям чёткий алгоритм действий для определения конкретных температурных границ и рабочих параметров, конструкторам — основу для точного расчёта систем охлаждения и силовых агрегатов, а разработчикам программного обеспечения — фундамент для создания интеллектуальных алгоритмов управления. Практическое применение разработанного подхода позволит производителям гарантировать безопасность, надёжность и предсказуемость характеристик будущих электромобилей, закладывая основу не только для серийного производства, но и для формирования новых национальных отраслевых стандартов, обеспечивающих технологическую независимость электроавтомобилестроения.
Опубликованные материалы предоставлены пресс-службой ПНИПУ.