Електрическа кола Никола Тесла

Електродвигателите са много по-ефективни от двигателите с вътрешно горене. Защо и кога

Основната истина е, че проблемите на електрическите превозни средства са свързани с източника на енергия, но могат да се погледнат от друга гледна точка. Като много неща в живота, които приемаме за даденост, електрическият двигател и системата за управление в електрическите превозни средства се считат за най-ефективното и надеждно устройство в тези превозни средства. За да постигнат това състояние на нещата обаче, те са изминали дълъг път на еволюция – от откриването на връзката между електричеството и магнетизма до ефективното му превръщане в механична сила. Тази тема често се подценява в контекста на говоренето за технологичното развитие на двигателя с вътрешно горене, но става все по-наложително да се говори повече за машината, наречена електродвигател.

Един или два мотора

Ако погледнете графиката на производителността на електрически мотор, независимо от неговия тип, ще забележите, че той е над 85 процента ефективен, често над 90 процента, и че е най-ефективен при около 75 процента натоварване. максимум. С увеличаването на мощността и размера на електродвигателя обхватът на ефективност съответно се разширява, където може да достигне своя максимум дори по-рано - понякога при 20 процента натоварване. Монетата обаче има и друга страна - въпреки разширения диапазон на по-висока ефективност, използването на много мощни двигатели с много ниско натоварване отново може да доведе до често навлизане в зоната на ниска ефективност. Следователно решенията относно размера, мощността, броя (един или два) и употребата (един или два в зависимост от натоварването) на електродвигателите са процеси, които са част от проектирането при конструирането на автомобил. В този контекст е разбираемо защо е по-добре да има два двигателя вместо един много мощен, а именно за да не навлиза често в зони с ниска ефективност и поради възможността да се изключва при ниски натоварвания. Следователно при частично натоварване, например в Tesla Model 3 Performance, се използва само задният двигател. При по-малко мощните версии той е единственият, а при по-динамичните версии асинхронният е свързан към предния мост. Това е друго предимство на електрическите превозни средства - мощността може да се увеличи по-лесно, режимите се използват в зависимост от изискванията за ефективност, а двойните задвижвания са полезен страничен ефект. Но по-ниската ефективност при ниско натоварване не пречи на факта, че за разлика от двигателя с вътрешно горене, електрическият двигател генерира тяга при нулева скорост поради коренно различния си принцип на работа и взаимодействие между магнитните полета дори при такива условия. Гореспоменатият факт за ефективност е в основата на дизайна на двигателя и режимите на работа - както казахме, прекалено голям двигател, който непрекъснато работи при ниско натоварване, би бил неефективен.

С бързото развитие на електрическата мобилност се разширява разнообразието по отношение на производството на мотори. Разработват се все повече споразумения и споразумения, при които някои производители като BMW и VW проектират и произвеждат свои собствени автомобили, други купуват дялове в компании, свързани с този бизнес, а трети възлагат на доставчици като Bosch. В повечето случаи, ако прочетете спецификациите на модел с електрическо захранване, ще откриете, че неговият двигател е "AC синхронен с постоянен магнит". Пионерът на Tesla обаче използва други решения в тази посока – асинхронни двигатели във всички досегашни модели и комбинация от асинхронни и т.нар. „Мотор с превключване на съпротивлението като задвижване на задната ос в модела 3 Performance. При по-евтините версии само със задно задвижване е единственият. Audi също използва асинхронни двигатели за модела q-tron и комбинация от синхронни и асинхронни двигатели за предстоящия e-tron Q4. За какво всъщност става въпрос?

Електрическа кола Никола Тесла

Фактът, че Никола Тесла е изобретил асинхронния или, с други думи, "асинхронния" електродвигател (още в края на 19 век) няма пряка връзка с факта, че моделите на Tesla Motors са едни от малкото автомобили, задвижвани от такава машина ....... Всъщност принципът на работа на двигателя на Тесла става по -популярен през 60 -те години, когато полупроводниковите устройства постепенно се появяват под слънцето, а американският инженер Алън Кокони разработва преносими полупроводникови инвертори, които могат да преобразуват батерии с постоянен ток (DC) в променлив ток (AC ), както се изисква за асинхронен двигател, и обратно (в процес на възстановяване). Тази комбинация от инвертор (известен също като инженерен трансвертор) и електрически двигател, разработен от Coconi, стана основа за скандалния GM EV1 и в по -изискана форма спортния tZERO. Подобно на търсенето на японски инженери от Toyota в процеса на създаване на Prius и отваряне на патента TRW, създателите на Tesla откриха автомобила tZERO. В крайна сметка те купиха лиценз на tZero и го използваха за изграждане на роудстър.
Най-голямото предимство на асинхронния двигател е, че той не използва постоянни магнити и не се нуждае от скъпи или редки метали, които също често се добиват в условия, които създават морални дилеми за потребителите. Както асинхронните, така и синхронните двигатели с постоянен магнит се възползват в пълна степен от технологичния напредък в полупроводниковите устройства, както и при създаването на MOSFET с полеви транзистори и по-късно биполярни изолационни транзистори (IGBT). Именно този напредък дава възможност да се създадат споменатите компактни инверторни устройства и като цяло цялата силова електроника в електрическите превозни средства. Може да изглежда тривиално, че възможността за ефективно преобразуване на постоянен ток в 150-фазни променливотокови батерии и обратно, до голяма степен се дължи на напредъка в технологиите за управление, но трябва да се има предвид, че токът в силовата електроника достига нива в пъти по-високи от обичайните в домакинството електрическа мрежа и често стойностите надвишават XNUMX ампера. Това генерира голямо количество топлина, с която трябва да се справи силовата електроника.

Но да се върнем към въпроса за електрическите двигатели. Подобно на двигателите с вътрешно горене, те могат да бъдат категоризирани в различни квалификации и „синхронизирането“ е един от тях. Всъщност това е следствие от много по-важен различен конструктивен подход по отношение на генерирането и взаимодействието на магнитни полета. Въпреки факта, че източникът на електричество в лицето на батерията е постоянен ток, дизайнерите на електрически системи дори не мислят да използват двигатели с постоянен ток. Дори като се вземат предвид загубите от преобразуване, AC блоковете и особено синхронните блокове превъзхождат конкуренцията с DC елементи. И така, какво всъщност означава синхронен или асинхронен двигател?

Фирма за електрически автомобили

Както синхронните, така и асинхронните двигатели са от типа на въртящите се електрически машини с магнитно поле, които имат по-висока плътност на мощността. По принцип индукционният ротор се състои от обикновен куп от масивни листове, метални пръти, изработени от алуминий или мед (все по-често използвани през последните години) с намотки в затворен контур. Токът протича в намотките на статора в противоположни двойки, като токът от една от трите фази тече във всяка двойка. Тъй като във всеки от тях той се измества във фаза със 120 градуса спрямо другия, така нареченото въртящо се магнитно поле. Пресичането на намотките на ротора с линии на магнитното поле от полето, създадено от статора, води до протичане на ток в ротора, подобно на взаимодействието върху трансформатор.
Полученото магнитно поле взаимодейства с „въртящото се“ в статора, което води до механично захващане на ротора и последващо въртене. При този тип електрически двигател обаче роторът винаги изостава от полето, защото ако няма относително движение между полето и ротора, в ротора няма да се индуцира магнитно поле. По този начин максималното ниво на скоростта се определя от честотата на захранващия ток и товара. Въпреки това, поради по-високата ефективност на синхронните двигатели, повечето производители се придържат към тях, но поради някои от горепосочените причини Tesla остава защитник на асинхронните двигатели.

Да, тези машини са по-евтини, но имат своите недостатъци и всички хора, които са тествали множество последователни ускорения с Model S, ще ви кажат как производителността пада драстично с всяка итерация. Процесите на индукция и протичане на ток водят до нагряване, а когато машината не се охлажда при голямо натоварване, се натрупва топлина и нейните възможности значително намаляват. За целите на защитата електрониката намалява количеството ток и ефективността на ускорението се влошава. И още нещо - за да се използва като генератор, асинхронният двигател трябва да се магнетизира - тоест да "прокара" първоначалния ток през статора, който генерира полето и тока в ротора, за да стартира процеса. След това може да се храни сам.

Асинхронни или синхронни двигатели

Синхронните блокове имат значително по-висока ефективност и плътност на мощността. Значителна разлика между асинхронния двигател е, че магнитното поле в ротора не се индуцира от взаимодействие със статора, а е резултат от тока, протичащ през допълнителните намотки, инсталирани в него, или постоянни магнити. По този начин полето в ротора и полето в статора са синхронни, но максималната скорост на двигателя зависи и от въртенето на полето, съответно от текущата честота и натоварване. За да се избегне необходимостта от допълнително захранване на намотките, което увеличава консумацията на електроенергия и усложнява контрола на тока, в съвременните електрически превозни средства и хибридни модели се използват електрически двигатели с така нареченото постоянно възбуждане. с постоянни магнити. Както вече споменахме, почти всички производители на такива превозни средства понастоящем използват устройства от този тип, поради което, според много експерти, все още ще има проблем с недостига на скъпи редки земи неодим и диспрозий. Намаляването на тяхното използване е част от търсенето от инженерите в тази област.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Дизайнът на сърцевината на ротора предлага най-голям потенциал за подобряване на работата на електрическа машина.
Има различни технологични решения с повърхностно монтирани магнити, дисковиден ротор, с вътрешно вградени магнити. Интересно тук е решението на Tesla, което използва гореспоменатата технология, наречена Switched Reluctance Motor, за задвижване на задната ос на Model 3. „Нежелание“ или магнитно съпротивление е термин, противоположен на магнитната проводимост, подобно на електрическото съпротивление и електрическата проводимост на материалите. Моторите от този тип използват феномена, че магнитният поток се стреми да премине през частта от материала с най-малко магнитно съпротивление. В резултат на това той физически измества материала, през който тече, за да премине през частта с най-малко съпротивление. Този ефект се използва в електрически двигател за създаване на въртеливо движение - за това в ротора се редуват материали с различно магнитно съпротивление: твърди (под формата на феритни неодимови дискове) и меки (стоманени дискове). В опит да премине през материал с по-ниско съпротивление, магнитният поток от статора върти ротора, докато не бъде позициониран да го направи. С текущо управление полето постоянно върти ротора в удобна позиция. Тоест въртенето не се инициира до такава степен от взаимодействието на магнитните полета, колкото тенденцията на полето да протича през материала с най-малко съпротивление и произтичащия ефект от въртенето на ротора. Чрез редуване на различни материали се намалява броят на скъпите компоненти.

В зависимост от дизайна кривата на ефективност и въртящият момент се променят с оборотите на двигателя. Първоначално асинхронният двигател има най-нисък коефициент на полезно действие, а най-високият е повърхностните магнити, но при втория той рязко намалява със скоростта. Двигателят на BMW i3 има уникален хибриден характер, благодарение на дизайн, който комбинира постоянни магнити и ефекта на "нежелание", описан по-горе. Така електродвигателят постига високите нива на постоянна мощност и въртящ момент, които са характерни за машините с електрически възбуден ротор, но има значително по-малко тегло от тях (последните са ефективни в много отношения, но не и като тегло). След всичко това е ясно, че ефективността намалява при високи скорости, поради което все повече производители казват, че ще се фокусират върху двускоростни трансмисии за електрически двигатели.

Въпроси и отговори:

Какви двигатели използва Tesla? Всички модели на Tesla са електрически превозни средства, така че са оборудвани изключително с електрически двигатели. Почти всеки модел ще има 3-фазен AC индукционен двигател под капака.

Как работи двигателят на Tesla? Асинхронният електродвигател работи поради възникването на ЕМП поради въртенето в стационарен статор на магнитно поле. Обратното движение се осигурява чрез обръщане на полярността на стартерните бобини.

Къде се намира двигателят на Tesla? Автомобилите на Tesla са със задно предаване. Следователно двигателят е разположен между валовете на задната ос. Двигателят се състои от ротор и статор, които контактуват един с друг само чрез лагери.

Колко тежи един двигател на Tesla? Теглото на сглобения електродвигател за моделите на Tesla е 240 килограма. По принцип се използва една модификация на двигателя.