Električni automobil Nikola Tesla

Elektromotori su mnogo učinkovitiji od motora s unutarnjim izgaranjem. Zašto i kada

Osnovna istina je da su problemi električnih vozila vezani uz izvor energije, ali se mogu promatrati iz druge perspektive. Kao i mnoge stvari u životu koje uzimamo zdravo za gotovo, električni motor i upravljački sustav u električnim vozilima smatraju se najučinkovitijim i najpouzdanijim uređajem u tim vozilima. No, kako bi postigli ovakvo stanje stvari, prošli su dugi put evolucije – od otkrivanja veze između elektriciteta i magnetizma do njegove učinkovite transformacije u mehaničku silu. Ova se tema često podcjenjuje u kontekstu govora o tehnološkom razvoju motora s unutarnjim izgaranjem, ali sve više je potrebno govoriti o stroju koji se zove elektromotor.

Jedan ili dva motora

Pogledate li grafikon performansi elektromotora, bez obzira na njegovu vrstu, primijetit ćete da je učinkovit preko 85 posto, često i preko 90 posto, a da je najučinkovitiji pri opterećenju od oko 75 posto. maksimum. Kako se snaga i veličina elektromotora povećavaju, tako se širi i raspon učinkovitosti, pri čemu on svoj maksimum može doseći i ranije – ponekad i pri 20 posto opterećenja. Međutim, postoji i druga strana medalje – unatoč proširenom rasponu veće učinkovitosti, korištenje vrlo snažnih motora s vrlo niskim opterećenjem opet može dovesti do čestog ulaska u zonu niske učinkovitosti. Stoga su odluke o veličini, snazi, broju (jedan ili dva) i uporabi (jedan ili dva ovisno o opterećenju) elektromotora procesi koji su dio projektiranja u konstrukciji automobila. U tom kontekstu razumljivo je zašto je bolje imati dva motora umjesto jednog vrlo snažnog, naime kako ne bi često ulazio u područja niske učinkovitosti, te zbog mogućnosti gašenja pri malim opterećenjima. Stoga se pri djelomičnom opterećenju, na primjer, u Tesla Model 3 Performance koristi samo stražnji motor. U manje snažnim izvedbama on je jedini, a u dinamičnijim je na prednju osovinu spojen asinkroni. To je još jedna prednost električnih vozila - snaga se može lakše povećati, modovi se koriste ovisno o zahtjevima učinkovitosti, a dvostruki pogonski sklopovi korisna su nuspojava. Međutim, manja učinkovitost pri malom opterećenju ne sprječava činjenicu da, za razliku od motora s unutarnjim izgaranjem, elektromotor stvara potisak pri nultoj brzini zbog svog bitno drugačijeg principa rada i interakcije između magnetskih polja čak iu takvim uvjetima. Prethodno navedena činjenica učinkovitosti je u središtu dizajna motora i načina rada - kao što smo rekli, preveliki motor koji kontinuirano radi pod malim opterećenjem bio bi neučinkovit.

S brzim razvojem električne mobilnosti, širi se i raznolikost u pogledu proizvodnje motora. Razvija se sve više sporazuma i dogovora, pri čemu neki proizvođači poput BMW-a i VW-a dizajniraju i proizvode vlastite automobile, drugi kupuju udjele u tvrtkama vezanim uz ovaj posao, a treći prepuštaju dobavljačima poput Boscha. U većini slučajeva, ako pročitate specifikacije modela s električnim pogonom, otkrit ćete da je njegov motor "sinkroni s permanentnim magnetom izmjenične struje". No, pionir Tesla koristi druga rješenja u tom smjeru – asinkrone motore u svim dosadašnjim modelima te kombinaciju asinkronih i tzv. “Motor s promjenjivim otporom kao pogon stražnje osovine u modelu 3 Performance. U jeftinijim izvedbama samo sa stražnjim pogonom je jedini. Audi također koristi indukcijske motore za model q-tron te kombinaciju sinkronih i asinkronih motora za nadolazeći e-tron Q4. O čemu se zapravo radi?

Električni automobil Nikola Tesla

Činjenica da je Nikola Tesla izumio asinkroni ili, drugim riječima, "asinkroni" elektromotor (još krajem 19. stoljeća) nema izravne veze s činjenicom da su modeli Tesla Motors jedan od rijetkih automobila koje pokreće takav stroj .... Zapravo, princip rada Teslinog motora postao je popularniji 60 -ih godina, kada su se poluvodički uređaji postupno pojavljivali pod suncem, a američki inženjer Alan Coconi razvio je prijenosne poluvodičke pretvarače koji mogu pretvarati istosmjerne (DC) baterije u izmjeničnu (AC). ) koliko je potrebno za asinkroni motor, i obrnuto (u procesu oporavka). Ova kombinacija pretvarača (također poznatog kao inženjerski pretvarač) i električnog motora koji je razvio Coconi postala je osnova za zloglasni GM EV1 i, u profinjenijem obliku, sportski tZERO. Slično kao u potrazi za japanskim inženjerima iz Toyote u procesu stvaranja Priusa i otvaranja patenta TRW, Teslini tvorci otkrili su automobil tZERO. Na kraju su kupili licencu tZero i iskoristili je za izgradnju roadstera.
Najveća prednost indukcijskog motora je u tome što ne koristi trajne magnete i ne trebaju skupi ili rijetki metali, koji se također često kopaju u uvjetima koji potrošačima stvaraju moralne dileme. Međutim, i sinkroni i sinkroni motori s trajnim magnetima u potpunosti koriste tehnološki napredak u poluvodičkim uređajima, kao i u stvaranju MOSFET-ova s ​​tranzistorima s poljskim efektom i novijim bipolarnim izolacijskim tranzistorima (IGBT). Upravo taj napredak omogućuje stvaranje spomenutih kompaktnih pretvarača i općenito sve energetske elektronike u električnim vozilima. Možda se čini trivijalnim da je sposobnost učinkovitog pretvaranja istosmjernog u trofazne izmjenične baterije i obrnuto velikim dijelom posljedica napretka u upravljačkoj tehnologiji, ali treba imati na umu da struja u energetskoj elektronici dostiže razinu mnogostruko veću od uobičajene u kućanstvu. električne mreže, a često vrijednosti prelaze 150 ampera. To generira veliku količinu topline s kojom se energetska elektronika mora nositi.

No, vratimo se pitanju električnih motora. Poput motora s unutarnjim izgaranjem, oni se mogu svrstati u različite kvalifikacije, a "mjerenje vremena" je jedno od njih. Zapravo je to posljedica puno važnijeg različitog konstruktivnog pristupa u smislu stvaranja i interakcije magnetskih polja. Unatoč činjenici da je izvor električne energije u osobi baterije istosmjerna struja, dizajneri električnih sustava ni ne pomišljaju na upotrebu istosmjernih motora. Čak i uzimajući u obzir pretvorbene gubitke, izmjenične jedinice, a posebno sinkrone jedinice nadmašuju konkurenciju s istosmjernim elementima. Pa što zapravo znači sinkroni ili asinkroni motor?

Tvrtka električnih automobila

I sinkroni i asinkroni motori su tipa rotacijskih električnih strojeva s magnetskim poljem koji imaju veću gustoću snage. Općenito se indukcijski rotor sastoji od jednostavne hrpe čvrstih limova, metalnih šipki izrađenih od aluminija ili bakra (sve češće korištenih posljednjih godina) s zavojnicama u zatvorenoj petlji. Struja teče u namotima statora u suprotnim parovima, a struja iz jedne od tri faze teče u svakom paru. Budući da je u svakom od njih on fazno pomaknut za 120 stupnjeva u odnosu na drugo, takozvano rotirajuće magnetsko polje. Sjecište namota rotora s vodovima magnetskog polja od polja koje stvara stator dovodi do strujanja struje u rotoru, slično interakciji na transformatoru.
Rezultirajuće magnetsko polje komunicira s "okretanjem" u statoru, što dovodi do mehaničkog prianjanja rotora i naknadne rotacije. Međutim, kod ove vrste elektromotora, rotor uvijek zaostaje za poljem, jer ako nema relativnog gibanja između polja i rotora, u rotoru neće biti inducirano magnetsko polje. Dakle, maksimalna razina brzine određuje se frekvencijom napajanja i opterećenjem. Međutim, zbog veće učinkovitosti sinkronih motora, većina proizvođača se drži njih, ali iz nekih od gore navedenih razloga, Tesla ostaje zagovornik asinkronih motora.

Da, ovi su strojevi jeftiniji, ali imaju svoje nedostatke, a svi ljudi koji su testirali višestruka uzastopna ubrzanja s Modelom S reći će vam kako performanse drastično padaju sa svakom iteracijom. Procesi indukcije i protoka struje dovode do zagrijavanja, a kada se stroj ne hladi pod velikim opterećenjem dolazi do akumulacije topline i njegove mogućnosti su značajno smanjene. U svrhu zaštite, elektronika smanjuje količinu struje i performanse ubrzanja su degradirane. I još nešto - da bi se mogao koristiti kao generator, asinkroni motor mora biti magnetiziran - odnosno "propustiti" početnu struju kroz stator, čime se stvara polje i struja u rotoru za pokretanje procesa. Tada se može sam hraniti.

Asinkroni ili sinkroni motori

Sinkrone jedinice imaju znatno veću učinkovitost i gustoću snage. Značajna razlika između asinhronog motora je u tome što magnetsko polje u rotoru ne inducira interakcija sa statorom, već je rezultat struje koja teče kroz dodatne namote ugrađene u njega ili trajne magnete. Dakle, polje u rotoru i polje u statoru su sinkroni, ali maksimalna brzina motora također ovisi o rotaciji polja, odnosno o trenutnoj frekvenciji i opterećenju. Da bi se izbjegla potreba za dodatnim napajanjem namota, što povećava potrošnju energije i otežava kontrolu struje, u modernim električnim vozilima i hibridnim modelima koriste se elektromotori s takozvanim stalnim pobuđivanjem. s trajnim magnetima. Kao što je već spomenuto, gotovo svi proizvođači takvih vozila trenutno koriste jedinice ove vrste, stoga će, prema mnogim stručnjacima, i dalje biti problem s nedostatkom skupih rijetkih zemalja neodimija i disprozija. Smanjenje njihove uporabe dio je potražnje inženjera na ovom polju.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Dizajn jezgre rotora nudi najveći potencijal za poboljšanje performansi električnog stroja.
Postoje različita tehnološka rješenja s nadgradnim magnetima, rotorom u obliku diska, s interno ugrađenim magnetima. Ovdje je zanimljivo Teslino rješenje koje koristi spomenutu tehnologiju pod nazivom Switched Reluctance Motor za pogon stražnje osovine Modela 3. "Reluktancija" ili magnetski otpor je pojam suprotan magnetskoj vodljivosti, sličan električnom otporu i električnoj vodljivosti materijala. Motori ovog tipa koriste fenomen da magnetski tok nastoji proći kroz dio materijala s najmanjim magnetskim otporom. Kao rezultat toga, fizički pomiče materijal kroz koji teče kako bi prošao kroz dio s najmanjim otporom. Ovaj se učinak koristi u elektromotoru za stvaranje rotacijskog gibanja - za to se u rotoru izmjenjuju materijali s različitim magnetskim otporom: tvrdi (u obliku feritnih neodimskih diskova) i meki (čelični diskovi). U pokušaju prolaska kroz materijal manjeg otpora, magnetski tok iz statora okreće rotor sve dok se ne postavi u takav položaj. S kontrolom struje, polje stalno rotira rotor u udobnom položaju. To jest, rotacija nije pokrenuta u tolikoj mjeri interakcijom magnetskih polja kao tendencijom polja da teče kroz materijal s najmanjim otporom i rezultirajućim učinkom rotacije rotora. Izmjenom različitih materijala smanjuje se broj skupih komponenti.

Ovisno o dizajnu, krivulja učinkovitosti i okretni moment mijenjaju se s brzinom motora. U početku najnižu učinkovitost ima asinkroni motor, a najveću imaju površinski magneti, ali kod potonjih naglo opada s brzinom. BMW i3 motor ima jedinstveni hibridni karakter, zahvaljujući dizajnu koji kombinira trajne magnete i gore opisani učinak "odbojnosti". Dakle, elektromotor postiže visoke razine konstantne snage i momenta koji su karakteristični za strojeve s električno pobuđenim rotorom, ali ima znatno manju težinu od njih (potonji su učinkoviti u mnogim aspektima, ali ne i u težinskom smislu). Nakon svega navedenog, jasno je da učinkovitost pri velikim brzinama opada, zbog čega sve više proizvođača najavljuje da će se fokusirati na dvobrzinske mjenjače za elektromotore.

Pitanja i odgovori:

Koje motore koristi Tesla? Svi Teslini modeli su električna vozila, pa su opremljeni isključivo elektromotorima. Gotovo svaki model će imati 3-fazni AC indukcijski motor ispod haube.

Kako radi Teslin motor? Asinkroni elektromotor radi zbog pojave EMF-a zbog rotacije u nepokretnom statoru magnetskog polja. Obrnuti hod osigurava se promjenom polariteta na zavojnicama startera.

Gdje se nalazi Teslin motor? Tesla automobili imaju pogon na stražnje kotače. Stoga se motor nalazi između osovina stražnje osovine. Motor se sastoji od rotora i statora koji se međusobno dodiruju samo preko ležajeva.

Koliko teži Teslin motor? Težina sklopljenog elektromotora za Tesla modele je 240 kilograma. U osnovi se koristi jedna modifikacija motora.