Elektrické auto Nikola Tesla

Elektromotory sú oveľa efektívnejšie ako spaľovacie motory. Prečo a kedy

Základnou pravdou je, že problémy elektromobilov súvisia so zdrojom energie, no dá sa na ne pozerať aj z inej perspektívy. Rovnako ako mnoho vecí v živote, ktoré považujeme za samozrejmé, elektromotor a riadiaci systém v elektrických vozidlách sa považujú za najefektívnejšie a najspoľahlivejšie zariadenie v týchto vozidlách. Aby však tento stav dosiahli, prešli v evolúcii dlhú cestu – od objavenia súvislosti medzi elektrinou a magnetizmom až po jej efektívnu premenu na mechanickú silu. Táto téma býva v rámci rozprávania o technologickom vývoji spaľovacieho motora často podceňovaná, no čoraz viac je potrebné hovoriť o stroji zvanom elektromotor.

Jeden alebo dva motory

Ak sa pozriete na graf výkonu elektromotora, bez ohľadu na jeho typ, zistíte, že má účinnosť viac ako 85 percent, často aj viac ako 90 percent a že je najúčinnejší pri zaťažení okolo 75 percent. maximálne. S rastúcim výkonom a veľkosťou elektromotora sa zodpovedajúcim spôsobom rozširuje rozsah účinnosti, kde môže dosiahnuť maximum aj skôr – niekedy pri 20-percentnom zaťažení. Je tu však aj druhá strana mince – napriek rozšírenému rozsahu vyššej účinnosti môže použitie veľmi výkonných motorov s veľmi nízkou záťažou opäť viesť k častému vstupu do zóny nízkej účinnosti. Preto rozhodnutia o veľkosti, výkone, počte (jeden alebo dva) a použití (jeden alebo dva v závislosti od zaťaženia) elektromotorov sú procesy, ktoré sú súčasťou projektovej práce pri konštrukcii automobilu. V tejto súvislosti je pochopiteľné, prečo je lepšie mať dva motory namiesto veľmi výkonného, ​​a to preto, aby sa často nedostal do oblastí s nízkou účinnosťou, a kvôli možnosti jeho odstavenia pri nízkej záťaži. Preto sa pri čiastočnom zaťažení napríklad v Tesle Model 3 Performance používa iba zadný motor. V menej výkonných verziách je jediný a v dynamickejších verziách je asynchrónny spojený s prednou nápravou. To je ďalšia výhoda elektromobilov – výkon sa dá jednoduchšie zvýšiť, režimy sa používajú v závislosti od požiadaviek na efektivitu a duálne pohonné jednotky sú užitočným vedľajším efektom. Nižšia účinnosť pri nízkom zaťažení však nebráni tomu, že na rozdiel od spaľovacieho motora, elektromotor vďaka zásadne odlišnému princípu činnosti a interakcie medzi magnetickými poľami aj za takýchto podmienok generuje ťah pri nulových otáčkach. Spomínaný fakt účinnosti je základom konštrukcie motora a prevádzkových režimov – ako sme už povedali, predimenzovaný motor nepretržite bežiaci pri nízkej záťaži by bol neefektívny.

S rýchlym rozvojom elektrickej mobility sa rozmanitosť výroby motorov rozširuje. Vyvíja sa stále viac dohôd a dohôd, v rámci ktorých niektorí výrobcovia ako BMW a VW navrhujú a vyrábajú svoje vlastné autá, iní kupujú podiely v spoločnostiach súvisiacich s týmto biznisom a ďalší zadávajú dodávateľom, ako je Bosch. Vo väčšine prípadov, ak si prečítate špecifikácie modelu s elektrickým pohonom, zistíte, že jeho motor je „synchrónny so striedavým permanentným magnetom“. Priekopník Tesla však v tomto smere využíva iné riešenia – asynchrónne motory vo všetkých doterajších modeloch a kombináciu asynchrónnych a tzv. „Odporový spínací motor ako pohon zadnej nápravy v modeli 3 Performance. V lacnejších verziách len s pohonom zadných kolies je jediný. Audi používa indukčné motory aj pre model q-tron a kombináciu synchrónnych a asynchrónnych motorov pre pripravovaný e-tron Q4. O čo vlastne ide?

Elektrické auto Nikola Tesla

Skutočnosť, že Nikola Tesla vynašiel asynchrónny alebo inými slovami „asynchrónny“ elektrický motor (koncom 19. storočia), nemá žiadnu priamu súvislosť so skutočnosťou, že modely Tesla Motors sú jedným z mála automobilov poháňaných takýmto strojom. ... V skutočnosti sa prevádzkový princíp motora Tesla stal populárnejším v 60. rokoch, keď sa pod slnkom postupne objavovali polovodičové zariadenia a americký inžinier Alan Coconi vyvinul prenosné polovodičové invertory, ktoré môžu prevádzať batérie na jednosmerný prúd (DC) na striedavý prúd (AC ), ako je to potrebné pre indukčný motor, a naopak (v procese obnovy). Táto kombinácia invertora (tiež známeho ako inžiniersky transvertor) a elektrického motora vyvinutého spoločnosťou Coconi sa stala základom pre neslávne známy GM EV1 a v ešte rafinovanejšej forme aj pre športové tZERO. Podobne ako pri hľadaní japonských inžinierov z Toyoty v procese vytvárania Priusu a otvárania patentu TRW, tvorcovia Tesly objavili auto tZERO. Nakoniec si kúpili licenciu tZero a použili ju na stavbu roadsteru.
Najväčšou výhodou indukčného motora je, že nepoužíva permanentné magnety a nepotrebuje drahé alebo vzácne kovy, ktoré sa tiež často ťažia v podmienkach, ktoré vytvárajú pre spotrebiteľov morálne dilemy. Asynchrónne aj synchrónne motory s permanentnými magnetmi však plne využívajú technologický pokrok v polovodičových zariadeniach, ako aj pri vytváraní MOSFET s tranzistormi s efektom poľa a neskôr s bipolárnymi izolačnými tranzistormi (IGBT). Práve tento pokrok umožňuje vytvárať spomínané kompaktné invertorové zariadenia a všeobecne celú výkonovú elektroniku v elektrických vozidlách. Môže sa zdať triviálne, že schopnosť efektívne prevádzať jednosmerné batérie na trojfázové striedavé batérie a naopak je do značnej miery spôsobená pokrokom v riadiacej technológii, treba si však uvedomiť, že prúd v výkonovej elektronike dosahuje mnohonásobne vyššie úrovne ako je bežné v domácnosti elektrickej siete a hodnoty často presahujú 150 ampérov. To generuje veľa tepla, s ktorým si musí výkonová elektronika poradiť.

Ale späť k otázke elektromotorov. Rovnako ako spaľovacie motory je možné ich zatriediť do rôznych kvalifikácií a jednou z nich je aj „načasovanie“. Je to v skutočnosti dôsledok oveľa dôležitejšieho rozdielneho konštruktívneho prístupu z hľadiska generovania a interakcie magnetických polí. Napriek tomu, že zdrojom elektriny v osobe batérie je jednosmerný prúd, konštruktéri elektrických systémov o použití jednosmerných motorov ani neuvažujú. Aj keď vezmeme do úvahy straty pri premene, striedavé jednotky a najmä synchrónne jednotky prekonávajú konkurenciu s jednosmernými prvkami. Čo teda vlastne znamená synchrónny alebo asynchrónny motor?

Spoločnosť na výrobu elektromobilov

Synchrónne aj asynchrónne motory sú typu elektrických strojov s rotujúcim magnetickým poľom, ktoré majú vyššiu hustotu výkonu. Indukčný rotor vo všeobecnosti pozostáva z jednoduchého stohu pevných plechov, kovových tyčí z hliníka alebo medi (v posledných rokoch čoraz častejšie používaných) s cievkami v uzavretej slučke. Prúd preteká vo vinutí statora v opačných pároch, pričom v každej dvojici preteká prúd z jednej z troch fáz. Keďže v každom z nich je fázovo posunutý o 120 stupňov voči druhému, takzvanému rotujúcemu magnetickému poľu. Priesečník vinutí rotora s linkami magnetického poľa z poľa vytvoreného statorom vedie k toku prúdu v rotore, podobne ako pri interakcii na transformátore.
Výsledné magnetické pole interaguje s „otáčaním“ v statore, čo vedie k mechanickému uchopeniu rotora a následnej rotácii. U tohto typu elektromotora však rotor vždy zaostáva za poľom, pretože ak nedôjde k relatívnemu pohybu medzi poľom a rotorom, nebude v rotore indukované žiadne magnetické pole. Maximálna úroveň rýchlosti je teda určená frekvenciou napájacieho prúdu a zaťaženia. Kvôli vyššej účinnosti synchrónnych motorov sa ich však väčšina výrobcov drží, ale z niektorých z vyššie uvedených dôvodov zostáva Tesla zástancom asynchrónnych motorov.

Áno, tieto stroje sú lacnejšie, ale majú svoje nevýhody a všetci ľudia, ktorí testovali niekoľko postupných zrýchlení s Modelom S, vám povedia, ako sa výkon pri každej iterácii drasticky znižuje. Procesy indukcie a toku prúdu vedú k zahrievaniu a pri nechladení stroja pri vysokej záťaži sa teplo akumuluje a jeho schopnosti sa výrazne znižujú. Na účely ochrany elektronika znižuje množstvo prúdu a znižuje sa výkon zrýchlenia. A ešte jedna vec - aby mohol byť indukčný motor použitý ako generátor, musí byť magnetizovaný - to znamená, aby "prešiel" počiatočný prúd cez stator, ktorý generuje pole a prúd v rotore na spustenie procesu. Potom sa môže živiť sám.

Asynchrónne alebo synchrónne motory

Synchrónne jednotky majú výrazne vyššiu účinnosť a hustotu výkonu. Podstatný rozdiel medzi indukčným motorom spočíva v tom, že magnetické pole v rotore nie je indukované interakciou so statorom, ale je výsledkom prúdu, ktorý preteká prídavnými vinutiami, ktoré sú v ňom nainštalované, alebo permanentnými magnetmi. Pole v rotore a pole v statore sú teda synchrónne, ale maximálna rýchlosť motora závisí aj od rotácie poľa, respektíve od aktuálnej frekvencie a zaťaženia. Aby sa zabránilo potrebe dodatočného napájania vinutí, ktoré zvyšuje spotrebu energie a komplikuje riadenie prúdu, používajú sa v moderných elektrických vozidlách a hybridných modeloch elektrické motory s takzvaným konštantným budením. s permanentnými magnetmi. Ako už bolo spomenuté, takmer všetci výrobcovia týchto vozidiel v súčasnosti používajú jednotky tohto typu, preto podľa mnohých odborníkov bude stále existovať problém s nedostatkom drahého neodýmu a dysprozia vzácnych zemín. Zníženie ich používania je súčasťou dopytu inžinierov v tejto oblasti.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Konštrukcia jadra rotora ponúka najväčší potenciál na zlepšenie výkonu elektrického stroja.
Existujú rôzne technologické riešenia s povrchovými magnetmi, kotúčovým rotorom, s vnútorne zabudovanými magnetmi. Zaujímavé je tu riešenie Tesly, ktorá využíva na pohon zadnej nápravy Modelu 3 spomínanú technológiu s názvom Switched Reluctance Motor. "Reluktancia" alebo magnetický odpor je termín opačný k magnetickej vodivosti, podobne ako elektrický odpor a elektrická vodivosť materiálov. Motory tohto typu využívajú jav, že magnetický tok má tendenciu prechádzať cez časť materiálu s najmenším magnetickým odporom. V dôsledku toho fyzicky premiestňuje materiál, cez ktorý preteká, aby cez diel prešiel s najmenším odporom. Tento efekt sa využíva v elektromotore na vytvorenie rotačného pohybu - na to sa v rotore striedajú materiály s rôznym magnetickým odporom: tvrdé (vo forme feritových neodýmových kotúčov) a mäkké (oceľové kotúče). V snahe prejsť cez materiál s nižším odporom magnetický tok zo statora otáča rotor, kým nie je v takej polohe. Pri riadení prúdu pole neustále otáča rotor do pohodlnej polohy. To znamená, že rotácia nie je iniciovaná do takej miery interakciou magnetických polí, ako je tendencia poľa pretekať materiálom s najmenším odporom a výsledný efekt rotácie rotora. Striedaním rôznych materiálov sa znižuje počet drahých komponentov.

V závislosti od konštrukcie sa krivka účinnosti a krútiaci moment menia s otáčkami motora. Spočiatku má indukčný motor najnižšiu účinnosť a najvyšší má povrchové magnety, ale v druhom prípade s rýchlosťou prudko klesá. Motor BMW i3 má jedinečný hybridný charakter vďaka dizajnu, ktorý kombinuje permanentné magnety a vyššie popísaný efekt „neochota“. Elektromotor teda dosahuje vysoké úrovne konštantného výkonu a krútiaceho momentu, ktoré sú charakteristické pre stroje s elektricky budeným rotorom, ale má podstatne nižšiu hmotnosť ako tieto (druhé sú v mnohých ohľadoch účinné, ale nie z hľadiska hmotnosti). Po tomto všetkom je jasné, že efektivita pri vysokých rýchlostiach klesá, a preto čoraz viac výrobcov hovorí, že sa pri elektromotoroch zamerajú na dvojrýchlostné prevodovky.

Otázky a odpovede:

Aké motory používa Tesla? Všetky modely Tesla sú elektrické vozidlá, preto sú vybavené výlučne elektromotormi. Takmer každý model bude mať pod kapotou 3-fázový AC indukčný motor.

Ako funguje motor Tesla? Asynchrónny elektromotor pracuje v dôsledku výskytu EMF v dôsledku rotácie magnetického poľa v stacionárnom statore. Spätný chod je zabezpečený prepólovaním na cievkach štartéra.

Kde sa nachádza motor Tesla? Automobily Tesla majú pohon zadných kolies. Preto je motor umiestnený medzi hriadeľmi zadnej nápravy. Motor sa skladá z rotora a statora, ktoré sa navzájom dotýkajú iba ložiskami.

Koľko váži motor Tesla? Hmotnosť zmontovaného elektromotora pre modely Tesla je 240 kilogramov. V podstate sa používa jedna úprava motora.