Full Text

Введение

В настоящее время перед разработчиками электродвигателей стоит задача в виде оптимизации параметров, которые влияют на энергетическую эффективность, крутящий момент и массогабаритные характеристики компонентной базы [1]. Подлежащие контролю параметры электрических машин (ЭМ) определяют исходя из конкретных условий применения.

Ужесточение требований к эффективности устройств, входящих в электрифицированное транспортное средство (ЭТС), способствует внедрению таких видов машин, которые могут расширить диапазон эффективной работы и обеспечить плавное регулирование скорости вращения приводного вала.

При проектировании тягового электропривода, который должен применяться в системах с высокой точностью регулирования, используются электродвигатели с повышенными пиковыми значениями крутящего момента, стабильной частотой вращения и плавным уменьшением момента при торможении. Управление подобными системами возможно посредством силовой и управляющей электроники, которая может обеспечить синхронность и энергоэффективность в работе всех элементов, входящих в силовой электропривод ЭТС [2].

Из-за стремления к улучшению удельных характеристик и возрастающей конкуренции на рынке электромобилей производители ЭТС направляют значительные ресурсы на разработку высокопроизводительных и компактных компонентов.

Анализ рынка электромобилей и электродвигателей для них

По данным аналитического агентства Rho Motion, в январе 2025 года в мире было реализовано 1,3 миллиона электромобилей. Несмотря на то, что это на треть ниже рекордного уровня декабря 2024 года, в годовом выражении продажи выросли на 18% [3].

Европейский рынок электромобилей за год увеличился на 21%, а рынок США и Канады показал стабильный рост на 22%. В Китае, как и ожидалось, продажи в январе упали на 43% по сравнению с декабрем, но при этом выросли на 12% в сравнении с январем 2024 года.

В Китае за январь 2025 года было продано 700 тысяч электромобилей, в странах ЕС и Великобритании — 250 тысяч, а в США и Канаде — 130 тысяч. В остальных регионах мира продажи составили 130 тысяч единиц, что на 50% больше, чем в январе прошлого года, но на 4% меньше, чем в декабре 2024 года.

Рисунок 1 – Актуальные данные о продаже электромобилей в мире

Учитывая растущий рынок электромобилей, можно сказать, что каждый из производителей ЭТС вкладывает большие усилия и средства для улучшения удельных показателей и эффективности. Вызовом для них будет являться минимизация затрат на производство автомобиля, при которой необходим поиск готовых или инициирование существующих исследований по нахождению оптимального и конкурентоспособного электродвигателя.

Электродвигатели можно разделить на ЭМ с радиальным и аксиальным магнитным потоком (АМП). Радиальные машины были популярны на протяжении долгого времени, в то время как аксиальные машины начали активно развиваться лишь в последние двадцать лет. Главное отличие между ними состоит в направлении магнитного потока: у аксиальных машин он направлен вдоль оси вращения, а у радиальных — радиально, то есть перпендикулярно оси.

Электродвигатель с АМП, хотя и был первым изобретенным человечеством электродвигателем, стал более активно изучаться и применяться в ЭТС только в последние 20 лет [4]. Это объясняется как сложностью инженеров прошлых столетий обеспечить и наладить его надежное серийное производство, так и прогрессом в нынешних производственных технологиях, удешевлением добычи магнитов и более высокой удельной мощностью таких двигателей по сравнению с радиальными аналогами [5].

Согласно исследованиям по оценке удельных показателей ЭМ от компании IDTechEx Ltd [6] (рисунок 2), можно прийти к выводу, что аксиальные электрические машины оказываются лучшими по соотношению удельных параметров.

Рисунок 2 – Удельные показатели разных по исполнению электродвигателей

Как и другие синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ), аксиальный двигатель является слабо демпфированной системой, то есть он не может работать напрямую от сети переменного тока без системы управления. Однако, основываясь на результатах анализов компьютерного математического моделирования можно сделать вывод о том, что при векторном управлении электродвигателем с АМП наблюдается низкий уровень пульсаций электромагнитного момента при холостом режиме работы и при полной механической нагрузке двигателя [5].

На сегодняшний день электродвигатели с АМП всё чаще внедряются в ЭТС [7]. Их популярность обусловлена рядом преимуществ перед электродвигателями с радиальным магнитным потоком: компактные габариты, более высокое соотношение электромагнитного момента к массе, повышенная удельная мощность [8]. Также стоит отметить, что для изготовления таких двигателей требуется меньше материала для изготовления деталей статора и ротора [9], а регулирование воздушного зазора между статором и ротором становится более простой и удобной.

В результате, проведение сравнения электрических конструкций радиальных и аксиальных машин с учетом ограничений по пространству показывает, что максимальное количество полюсов у аксиальных зависит от осевой длины, тогда как у радиальных этот параметр от неё не зависит. Также плотность крутящего момента у аксиальных машин зависит от осевой длины, в отличие от радиальных машин, где она остается постоянной. Это связано с тем, что осевая длина включает в себя также и толщину ярма в ЭМ с АМП.

Электродвигатели с АМП могут превосходить машины с радиальным магнитным потоком по плотности крутящего момента, если обмотки заполняют пазы пропорционально увеличению их объёма. Но также стоит отметить, что плотность крутящего момента аксиальных машин достигает максимума из-за перенасыщения зубцов статора. С использованием метода конечных элементов и учета насыщения зубцов статора была определена оптимальная осевая длина аксиальных машин в зависимости от нагрузки [10].

Основные тенденции развития тяговых электродвигателей

Современные тенденции в развитии тяговых электродвигателей для электромобилей сосредоточены на повышении эффективности, снижении зависимости от редкоземельных материалов и использовании передовых технологий проектирования.

1. Рост популярности синхронных двигателей с постоянными магнитами

СДПМ обладают высокой эффективностью (до 97%) и компактностью. Большинство современных электромобилей используют СДПМ благодаря их высокой удельной мощности. Однако они требуют редкоземельных материалов (неодим, диспрозий), что делает их производство зависимым от поставок этих элементов.

2. Развитие асинхронных двигателей и отказ от редкоземельных магнитов

Некоторые автопроизводители, такие как Tesla, применяют асинхронные двигатели [11]. Они менее эффективны, но не требуют редкоземельных элементов, что снижает производственные риски и затраты.

3. Переход на технологии, исключающие использование редкоземельных магнитов

Данный вопрос стал актуальным в последнее время, ведутся активные исследования по созданию ЭМ без использования редкоземельных материалов.

Варианты включают:

• Ферритовые магниты – более доступные, но менее мощные.
• Магнитопласты – используют в местах, где требуются магниты определенной формы;
• Обмоточные роторные двигатели – используют электромагниты вместо постоянных магнитов;
• Радиальные и аксиальные электродвигатели – обеспечивают высокую плотность мощности при меньшем количестве магнитных материалов.

4. Использование передовых материалов в управляющей электронике

Применение карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) в силовых модулях инверторов снижает потери и повышает эффективность на 5-10%, что критично для увеличения запаса хода электромобиля.

5. Совершенствование систем охлаждения

Тяговые двигатели подвергаются высоким нагрузкам, поэтому разрабатываются эффективные системы охлаждения, включая:

• Жидкостное охлаждение (помимо классического теплосъёма с теплообменника в корпусе электродвигателя, используют: непосредственное охлаждение вала ротора, непосредственного охлаждения лобовых частей обмотки, непосредственное охлаждение обмоток);
• Масляное охлаждение, интегрированное с редуктором;
• Комбинированное охлаждение совместно с воздушным и жидкостным охлаждением.

6. Внедрение цифровых двойников и расчётного ПО

Компьютерное моделирование позволяет проектировать электродвигатели с высокой точностью, снижая время на разработку. Цифровой двойник (Digital Twin) позволяет тестировать конструкцию в виртуальной среде до начала производства.

7. Развитие интегрированных электроприводов (e-Axle)

Интеграция электродвигателя, редуктора и инвертора в единый блок уменьшает потери и снижает вес, что улучшает динамику электромобиля. Компании, такие как Bosch и ZF, активно развивают e-Axle-решения [12].

Заключение

Будущее тяговых электродвигателей связано с внедрением новых материалов, технологий проектирования и моделирования. Инновационные подходы позволят повысить их эффективность, снизить зависимость от редкоземельных элементов и удешевить производство.

К сложностям в развитии отрасли можно отнести:

• Дефицит редкоземельных материалов, используемых в магнитах электродвигателей;
• Высокие требования к энергоэффективности и снижению тепловых потерь;
• Ограничения по весу и габаритам электродвигателей;
• Стоимость производства и интеграции новых технологий.

В краткосрочной перспективе дальнейшее улучшение электродвигателей заключается в использовании передовых методов расчётного программного обеспечения, цифровых двойников и инновационных подходов в технологии охлаждения и снижения электромагнитных потерь. В долгосрочной перспективе уход от использования редкоземельных магнитов в конструкции.

Конфликт интересов: авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 24-71-00015, https://rscf.ru/project/24-71-00015/».

About the authors

Pavel Zherdev

Email: pavel.zherdev@nami.ru

Rinat Biksaleev

Email: rinat.biksaleev@nami.ru

Kirill Karpukhin

Author for correspondence.
Email: k.karpukhin@nami.ru

References

Supplementary files