Как работают электромобили

Вы когда-нибудь задумывались над тем, как электромобили доезжают из точки А в точку Б? Секрет их работы заключается в замене двигателя внутреннего сгорания на гигантский аккумулятор или же всё не так однозначно? Устраивайтесь поудобнее, ведь сегодня мы откроем капот и разберёмся, как именно работают электрические двигатели.
*
Original video is here: Tech Vision
   • Видео  
*
Music: MusicbyAden - Your Story
Download: Musicbyaden – Sunrise
@musicbyaden
*
Удивительно, но принцип работы большинства современных электромобилей был сформулирован за несколько десятилетий до появления двигателей внутреннего сгорания. В 1834 году голландский профессор Сибрандус Стратинг из города Гронинген создал компактный электромобиль, элементы питания которого были одноразовыми.

Принцип работы двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что топливо и воздух при сжатии и воспламенении вызывают крошечный взрыв (то есть сгорание). Эта взрывная сила толкает поршень, а линейное движение нескольких поршней преобразуется во вращательное движение с помощью механического коленчатого вала. Благодаря этому машины и передвигаются по дорогам.

А фундаментальный принцип работы электромобилей – это магнетизм. Как известно, противоположные полюса магнитов притягиваются, а одинаковые отталкиваются. Итак, давайте представим себе эксперимент с двумя магнитами, один из которых зафиксирован в неподвижном состоянии, тогда как другой установлен на соседнем вращающемся валу. Если два ближайших друг к другу полюса на обоих магнитах имеют одинаковую полярность, скажем, северную, прикреплённый к валу магнит будет отталкиваться от неподвижного, запуская вращение вала. Вращение продолжится до тех пор, пока южный полюс этого магнита не окажется возле северного полюса неподвижного магнита.

В этом мысленном эксперименте вал повернулся на пол-оборота. Интересный феномен, но на нём далеко не уедешь. Самое время подключить к делу электромагнетизм. На фиксированных (или постоянных) магнитах вроде тех, что обычно висят на холодильниках, полюса никогда не меняются. Северный всегда остаётся северным, а южный – южным. Однако на электромагните, который состоит из металлического сердечника и обмотки в виде электрических проводов, магнитная полярность может меняться на противоположную.

Давайте вернёмся к нашему эксперименту и заменим один из магнитов на электромагнит. Как только южный полюс электромагнита окажется возле северного полюса неподвижного магнита, полярность первого резко изменится, из-за чего вал продолжит движение ещё на пол-оборота, совершая полный оборот. Мы постепенно подходим к сути вопроса.

Для наглядной иллюстрации изменения полярности давайте представим простую схему, состоящую из батарейки и лампочки. Электроны движутся по проводам в одном направлении: от батарейки к лампочке и обратно к батарейке. Если убрать из этой схемы батарейку, перевернуть её на 180 градусов, а затем вернуть её на место, электроны будут двигаться по тому же маршруту, но уже в обратную сторону. Лампочка при этом будет гореть в обоих случаях.
Электромагниты, как и лампочки, работают независимо от направления движения электронов. Интересно здесь то, что полярность магнита меняется на противоположную вместе с потоком электронов, поэтому, чтобы магниты постоянно работали в режиме отталкивания, нужно просто постоянно менять полярность одного из них. Как это сделать? Например, постоянно переворачивать батарею вручную. Но для этого придётся постоянно обращаться к автомеханикам и только ради того, чтобы машина проехала всего лишь пару метров.

А провернуть трюк с вращением магнита, на котором и основан принцип работы электродвигателей, можно с помощью так называемого инвертора. Через инверторный модуль на электромобиле проходит постоянный ток от автомобильного аккумулятора, и в нём же благодаря синергии быстрых переключателей, электросхем и конденсаторов поток электронов меняет своё направление почти 60 раз в секунду.

Бытовые электродвигатели (например, те, что используются в фенах), обходятся без инвертора. Почему? Потому что в токе из розеток поток электронов уже меняет своё направление. Поэтому этот ток и называется переменным (или AC). Батареи и аккумуляторы могут производить только постоянный ток (DC). Таким образом, вращающиеся магниты, приводимые в движение переменным током, который проходит через катушки с проволокой, по сути, отвечают за работу электромобилей.

Электрические двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Во-первых, движение, производимое двигателем, уже является вращательным по своей природе. Грязным поршням, входящим в состав ДВС, необходим сложный и хрупкий коленчатый вал только для того, чтобы преобразовать поступательное движение во вращательное. А электродвигатели состоят из более надёжных компонентов, поэтому они с меньшей вероятностью могут выйти из строя или потребовать дорогостоящего ремонта.