Masina electrica Nikola Tesla

Motoarele electrice sunt mult mai eficiente decât motoarele cu ardere internă. De ce și când

Adevărul de bază este că problemele vehiculelor electrice sunt legate de sursa de energie, dar pot fi privite dintr-o perspectivă diferită. La fel ca multe lucruri în viață pe care le considerăm de la sine înțeles, motorul electric și sistemul de control al vehiculelor electrice sunt considerate cel mai eficient și mai fiabil dispozitiv din aceste vehicule. Cu toate acestea, pentru a atinge această stare de lucruri, ei au parcurs un drum lung în evoluție - de la descoperirea legăturii dintre electricitate și magnetism până la transformarea sa efectivă într-o forță mecanică. Acest subiect este adesea subestimat în contextul vorbirii despre dezvoltarea tehnologică a motorului cu ardere internă, dar devine din ce în ce mai necesar să vorbim mai mult despre mașina numită motor electric.

Unul sau două motoare

Dacă te uiți la graficul de performanță al unui motor electric, indiferent de tipul său, vei observa că acesta are o eficiență de peste 85 la sută, adesea peste 90 la sută și că este cel mai eficient la aproximativ 75 la sută de sarcină. maxim. Pe măsură ce puterea și dimensiunea motorului electric cresc, gama de eficiență se extinde în consecință, unde poate atinge maximul și mai devreme - uneori la sarcină de 20 la sută. Cu toate acestea, există o altă față a monedei - în ciuda intervalului extins de eficiență mai mare, utilizarea motoarelor foarte puternice cu sarcină foarte mică poate duce din nou la intrarea frecventă în zona de eficiență scăzută. Prin urmare, deciziile cu privire la dimensiunea, puterea, numărul (una sau două) și utilizarea (unul sau două în funcție de sarcină) motoarelor electrice sunt procese care fac parte din munca de proiectare în construcția unei mașini. În acest context, este de înțeles de ce este mai bine să aveți două motoare în loc de unul foarte puternic și anume pentru a nu pătrunde deseori în zone cu randament scăzut și din cauza posibilității de a-l opri la sarcini mici. Prin urmare, la sarcină parțială, de exemplu, în Tesla Model 3 Performance, este utilizat doar motorul din spate. În versiunile mai puțin puternice, este singura, iar în versiunile mai dinamice, cea asincronă este conectată la puntea față. Acesta este un alt avantaj al vehiculelor electrice - puterea poate fi crescută mai ușor, modurile sunt utilizate în funcție de cerințele de eficiență, iar sistemele de propulsie duale sunt un efect secundar util. Cu toate acestea, eficiența mai scăzută la sarcină mică nu împiedică faptul că, spre deosebire de un motor cu ardere internă, un motor electric generează tracțiune la turație zero datorită principiului său fundamental diferit de funcționare și interacțiune între câmpurile magnetice chiar și în astfel de condiții. Faptul de eficiență menționat mai sus se află în centrul designului motorului și al modurilor de funcționare - așa cum am spus, un motor supradimensionat care funcționează continuu la sarcină mică ar fi ineficient.

Odată cu dezvoltarea rapidă a mobilității electrice, diversitatea în ceea ce privește producția de motoare se extinde. Din ce în ce mai multe acorduri și aranjamente sunt în curs de dezvoltare, prin care unii producători precum BMW și VW își proiectează și fabrică propriile mașini, alții cumpără acțiuni la companii aferente acestei afaceri, iar alții externalizează către furnizori precum Bosch. În cele mai multe cazuri, dacă citiți specificațiile unui model alimentat electric, veți constata că motorul acestuia este „sincron cu magnet permanent AC”. Cu toate acestea, pionierul Tesla folosește și alte soluții în această direcție - motoare asincrone în toate modelele anterioare și o combinație de asincron și așa-zis. „Motor de comutare a rezistenței ca transmisie pe puntea spate în modelul 3 Performance. În versiunile mai ieftine doar cu tracțiune spate, este singurul. Audi folosește, de asemenea, motoare cu inducție pentru modelul q-tron și o combinație de motoare sincrone și asincrone pentru viitorul e-tron Q4. Despre ce este vorba de fapt?

Masina electrica Nikola Tesla

Faptul că Nikola Tesla a inventat motorul electric asincron sau, cu alte cuvinte, motorul asincron "(la sfârșitul secolului al XIX-lea) nu are nicio legătură directă cu faptul că modelele Tesla Motors sunt una dintre puținele mașini alimentate de o astfel de mașină ... De fapt, principiul de funcționare al motorului Tesla a devenit mai popular în anii '19, când dispozitivele semiconductoare au apărut treptat sub soare, iar inginerul american Alan Coconi a dezvoltat invertoare portabile cu semiconductoare care pot converti bateriile de curent continuu (DC) în curent alternativ (AC) ) după cum este necesar pentru un motor cu inducție și invers (în procesul de recuperare). Această combinație dintre un invertor (cunoscut și ca un transverter de inginerie) și un motor electric dezvoltat de Coconi a devenit baza infamului GM EV60 și, într-o formă mai rafinată, tZERO-ul sportiv. Prin analogie cu căutarea inginerilor japonezi de la Toyota în timpul creării Prius și descoperirii brevetului TRW, creatorii Tesla au descoperit mașina tZERO. În cele din urmă, au cumpărat o licență tZero și au folosit-o pentru a construi un roadster.
Cel mai mare avantaj al unui motor cu inducție este că nu folosește magneți permanenți și nu are nevoie de metale scumpe sau rare, care sunt, de asemenea, deseori exploatate în condiții care creează dileme morale pentru consumatori. Cu toate acestea, atât motoarele sincrone asincrone, cât și cele cu magnet permanent utilizează pe deplin progresele tehnologice în dispozitivele semiconductoare, precum și în crearea de MOSFET-uri cu tranzistor cu efect de câmp și ulterior tranzistori de izolare bipolară (IGBT). Acest progres face posibilă crearea dispozitivelor invertoare compacte menționate și, în general, a tuturor componentelor electronice de putere din vehiculele electrice. Poate părea banal faptul că capacitatea de a converti în mod eficient DC în baterii trifazate de curent alternativ și invers se datorează în mare măsură progreselor în tehnologia de control, dar trebuie avut în vedere faptul că curentul din electronica de putere atinge niveluri de multe ori mai mari decât de obicei în gospodărie rețea electrică și, adesea, valorile depășesc 150 amperi. Acest lucru generează o cantitate mare de căldură cu care trebuie să se ocupe electronica de putere.

Revenim însă la problema motoarelor electrice. La fel ca motoarele cu ardere internă, acestea pot fi clasificate în diferite calificări, iar „sincronizarea” este una dintre ele. De fapt, aceasta este o consecință a unei abordări constructive diferite mult mai importante în ceea ce privește generarea și interacțiunea câmpurilor magnetice. În ciuda faptului că sursa de energie electrică în persoana bateriei este curentul continuu, proiectanții sistemelor electrice nici măcar nu se gândesc să folosească motoare de curent continuu. Chiar și luând în considerare pierderile din conversie, unitățile AC și mai ales unitățile sincrone depășesc concurența cu elementele DC. Deci, ce înseamnă de fapt un motor sincron sau asincron?

Compania de automobile electrice

Atât motoarele sincrone, cât și cele asincrone sunt de tipul mașinilor electrice rotative cu câmp magnetic care au o densitate de putere mai mare. În general, un rotor de inducție constă dintr-un teanc simplu de foi solide, tije metalice din aluminiu sau cupru (din ce în ce mai utilizate în ultimii ani) cu bobine într-o buclă închisă. Curentul curge în înfășurările statorului în perechi opuse, cu curent dintr-una din cele trei faze care curge în fiecare pereche. Deoarece în fiecare dintre ele este deplasat în fază cu 120 de grade față de celălalt, așa-numitul câmp magnetic rotativ. Intersecția înfășurărilor rotorului cu liniile câmpului magnetic din câmpul creat de stator duce la fluxul de curent în rotor, similar cu interacțiunea pe un transformator.
Câmpul magnetic rezultat interacționează cu „rotirea” din stator, ceea ce duce la apucarea mecanică a rotorului și la rotația ulterioară. Cu toate acestea, cu acest tip de motor electric, rotorul rămâne întotdeauna în spatele câmpului, deoarece dacă nu există mișcare relativă între câmp și rotor, nu va fi indus câmp magnetic în rotor. Astfel, nivelul maxim de viteză este determinat de frecvența curentului de alimentare și a sarcinii. Cu toate acestea, datorită eficienței mai mari a motoarelor sincrone, majoritatea producătorilor se țin de ele, dar din unele dintre motivele de mai sus, Tesla rămâne un avocat al motoarelor asincrone.

Da, aceste mașini sunt mai ieftine, dar au dezavantajele lor și toți cei care au testat mai multe accelerații succesive cu Model S vă vor spune cum performanța scade drastic cu fiecare iterație. Procesele de inducție și fluxul de curent duc la încălzire, iar atunci când mașina nu este răcită sub sarcină mare, căldura se acumulează și capacitățile sale sunt reduse semnificativ. În scopuri de protecție, electronica reduce cantitatea de curent și performanța de accelerare este degradată. Și încă ceva – pentru a fi folosit ca generator, motorul cu inducție trebuie magnetizat – adică să „trece” curentul inițial prin stator, care generează câmpul și curentul în rotor pentru a începe procesul. Apoi se poate hrăni singur.

Motoare asincrone sau sincrone

Unitățile sincrone au o eficiență și o densitate de putere semnificativ mai mari. O diferență semnificativă între un motor cu inducție este că câmpul magnetic din rotor nu este indus de interacțiunea cu statorul, ci este rezultatul curentului care curge prin înfășurările suplimentare instalate în acesta sau magneții permanenți. Astfel, câmpul din rotor și câmpul din stator sunt sincrone, dar viteza maximă a motorului depinde și de rotația câmpului, respectiv de frecvența și sarcina curente. Pentru a evita necesitatea unei alimentări suplimentare a înfășurărilor, care crește consumul de energie electrică și complică controlul curentului, motoarele electrice cu așa-numita excitație constantă sunt utilizate în vehiculele electrice moderne și în modelele hibride. cu magneți permanenți. După cum sa menționat deja, aproape toți producătorii de astfel de vehicule utilizează în prezent unități de acest tip, prin urmare, potrivit multor experți, va exista în continuare o problemă cu o lipsă de neodim și disproziu de pământuri rare scumpe. Reducerea utilizării acestora face parte din cererea inginerilor din acest domeniu.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Proiectarea miezului rotorului oferă cel mai mare potențial pentru îmbunătățirea performanțelor unei mașini electrice.
Există diverse soluții tehnologice cu magneți montați la suprafață, rotor în formă de disc, cu magneți încorporați în interior. Interesantă este soluția Tesla, care folosește tehnologia menționată mai sus numită Switched Reluctance Motor pentru a conduce puntea spate a Modelului 3. „Reluctanța”, sau rezistența magnetică, este un termen opus conductivității magnetice, similar rezistenței electrice și conductivității electrice a materialelor. Motoarele de acest tip folosesc fenomenul că fluxul magnetic tinde să treacă prin partea materialului cu cea mai mică rezistență magnetică. Ca urmare, deplasează fizic materialul prin care curge pentru a trece prin piesa cu cea mai mică rezistență. Acest efect este folosit într-un motor electric pentru a crea o mișcare de rotație - pentru aceasta, în rotor alternează materiale cu rezistență magnetică diferită: dure (sub formă de discuri de ferită neodim) și moi (discuri de oțel). În încercarea de a trece printr-un material cu rezistență mai mică, fluxul magnetic de la stator rotește rotorul până când este poziționat pentru a face acest lucru. Cu controlul curentului, câmpul rotește constant rotorul într-o poziție confortabilă. Adică, rotația nu este inițiată într-o asemenea măsură de interacțiunea câmpurilor magnetice ca tendința câmpului de a curge prin materialul cu cea mai mică rezistență și efectul rezultat al rotației rotorului. Prin alternarea diferitelor materiale, se reduce numărul de componente scumpe.

În funcție de design, curba de eficiență și cuplul se modifică în funcție de turația motorului. Inițial, motorul cu inducție are cea mai scăzută eficiență, iar cel mai mare are magneți de suprafață, dar în cel din urmă scade brusc odată cu viteza. Motorul BMW i3 are un caracter hibrid unic, datorită unui design care combină magneții permanenți și efectul de „reticență” descris mai sus. Astfel, motorul electric atinge nivelurile ridicate de putere și cuplu constantă care sunt caracteristice mașinilor cu rotor excitat electric, dar are o greutate semnificativ mai mică decât acestea (acestea din urmă sunt eficiente în multe privințe, dar nu și în ceea ce privește greutatea). După toate acestea, este clar că eficiența scade la viteze mari, motiv pentru care tot mai mulți producători spun că se vor concentra pe transmisii cu două viteze pentru motoare electrice.

Întrebări și răspunsuri:

Ce motoare folosește Tesla? Toate modelele Tesla sunt vehicule electrice, deci sunt echipate exclusiv cu motoare electrice. Aproape fiecare model va avea sub capotă un motor cu inducție AC trifazat.

Cum funcționează un motor Tesla? Un motor electric asincron funcționează din cauza apariției unui EMF din cauza rotației într-un stator staționar a unui câmp magnetic. Cursarea inversă este asigurată de inversarea polarității pe bobinele demarorului.

Unde se află motorul Tesla? Mașinile Tesla sunt cu tracțiune spate. Prin urmare, motorul este situat între arborii punții din spate. Motorul este format dintr-un rotor și un stator, care contactează unul cu celălalt doar prin intermediul rulmenților.

Cât cântărește un motor Tesla? Greutatea motorului electric asamblat pentru modelele Tesla este de 240 de kilograme. Practic este folosită o modificare a motorului.