آلة كهربائية نيكولا تيسلا

المحركات الكهربائية أكثر كفاءة من محركات الاحتراق الداخلي. لماذا ومتى

الحقيقة الأساسية هي أن مشاكل السيارات الكهربائية مرتبطة بمصدر الطاقة ، ولكن يمكن رؤيتها من منظور مختلف. مثل العديد من الأشياء في الحياة التي نأخذها كأمر مسلم به ، يعتبر المحرك الكهربائي ونظام التحكم في السيارات الكهربائية الجهاز الأكثر كفاءة وموثوقية في هذه المركبات. ومع ذلك ، من أجل تحقيق هذه الحالة ، فقد قطعوا شوطًا طويلاً في التطور - من اكتشاف العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية إلى تحولها الفعال إلى قوة ميكانيكية. غالبًا ما يتم التقليل من أهمية هذا الموضوع في سياق الحديث عن التطور التكنولوجي لمحرك الاحتراق الداخلي ، ولكن أصبح من الضروري بشكل متزايد التحدث أكثر عن آلة تسمى المحرك الكهربائي.

محرك واحد أو محركان

إذا نظرت إلى الرسم البياني لأداء محرك كهربائي ، بغض النظر عن نوعه ، ستلاحظ أنه أكثر كفاءة بنسبة 85 في المائة ، وغالبًا ما يزيد عن 90 في المائة ، وأنه بأقصى كفاءة عند حوالي 75 في المائة من الحمل. أقصى. مع زيادة قوة المحرك الكهربائي وحجمه ، يتوسع نطاق الكفاءة وفقًا لذلك ، حيث يمكن أن يصل إلى الحد الأقصى حتى في وقت مبكر - أحيانًا عند تحميل 20 بالمائة. ومع ذلك ، هناك جانب آخر للعملة - على الرغم من النطاق الموسع للكفاءة العالية ، فإن استخدام محركات قوية جدًا ذات حمولة منخفضة جدًا يمكن أن يؤدي مرة أخرى إلى الدخول المتكرر إلى منطقة الكفاءة المنخفضة. لذلك ، فإن القرارات المتعلقة بالحجم والطاقة والعدد (واحد أو اثنان) واستخدام (واحد أو اثنان حسب الحمل) للمحركات الكهربائية هي عمليات تشكل جزءًا من أعمال التصميم في بناء السيارة. في هذا السياق ، من المفهوم لماذا من الأفضل أن يكون لديك محركان بدلاً من محرك قوي للغاية ، أي بحيث لا يدخل في كثير من الأحيان مناطق ذات كفاءة منخفضة ، وبسبب إمكانية إغلاقها عند الأحمال المنخفضة. لذلك ، عند التحميل الجزئي ، على سبيل المثال ، في Tesla Model 3 Performance ، يتم استخدام المحرك الخلفي فقط. في الإصدارات الأقل قوة ، يكون هو الإصدار الوحيد ، وفي الإصدارات الأكثر ديناميكية ، يتم توصيل الإصدار غير المتزامن بالمحور الأمامي. هذه ميزة أخرى للمركبات الكهربائية - يمكن زيادة الطاقة بسهولة أكبر ، وتستخدم الأوضاع اعتمادًا على متطلبات الكفاءة ، وتعد مجموعات نقل الحركة المزدوجة من الآثار الجانبية المفيدة. ومع ذلك ، فإن الكفاءة المنخفضة عند التحميل المنخفض لا تمنع حقيقة أنه ، على عكس محرك الاحتراق الداخلي ، يولد المحرك الكهربائي الدفع بسرعة صفر بسبب مبدأ التشغيل والتفاعل المختلف جوهريًا بين المجالات المغناطيسية حتى في ظل هذه الظروف. تكمن حقيقة الكفاءة المذكورة أعلاه في صميم تصميم المحرك وأنماط التشغيل - كما قلنا ، فإن المحرك كبير الحجم الذي يعمل باستمرار بحمل منخفض سيكون غير فعال.

مع التطور السريع للتنقل الكهربائي ، يتوسع التنوع من حيث إنتاج المحرك. يتم تطوير المزيد والمزيد من الاتفاقيات والترتيبات ، حيث تقوم بعض الشركات المصنعة مثل BMW و VW بتصميم وتصنيع سياراتهم الخاصة ، بينما يشتري البعض الآخر حصصًا في الشركات ذات الصلة بهذا العمل ، ولا يزال البعض الآخر يستعين بمصادر خارجية لموردين مثل Bosch. في معظم الحالات ، إذا قرأت مواصفات طراز يعمل بالكهرباء ، فستجد أن محركه "متزامن مع المغناطيس الدائم للتيار المتردد". ومع ذلك ، يستخدم رائد Tesla حلولًا أخرى في هذا الاتجاه - محركات غير متزامنة في جميع الطرز السابقة ومجموعة غير متزامنة وما يسمى. "محرك تبديل المقاومة كمحرك خلفي في نموذج الأداء الثالث. في الإصدارات الأرخص ذات الدفع بالعجلات الخلفية فقط ، فهي الوحيدة. تستخدم أودي أيضًا محركات تحريضية لطراز q-tron ومجموعة من المحركات المتزامنة وغير المتزامنة لسيارة e-tron Q3 القادمة. حول ماذا هو فعلا؟

آلة كهربائية نيكولا تيسلا

حقيقة أن نيكولا تيسلا اخترع المحرك الكهربائي غير المتزامن أو ، بعبارة أخرى ، المحرك الكهربائي "غير المتزامن" (يعود إلى أواخر القرن التاسع عشر) ليس له صلة مباشرة بحقيقة أن طرازات تسلا موتورز هي واحدة من السيارات القليلة التي تعمل بمثل هذه الآلة .... في الواقع ، أصبح مبدأ التشغيل لمحرك تسلا أكثر شيوعًا في الستينيات ، عندما ظهرت أجهزة أشباه الموصلات تدريجيًا تحت أشعة الشمس ، وقام المهندس الأمريكي آلان كوكوني بتطوير محولات شبه موصلة محمولة يمكنها تحويل بطاريات التيار المباشر (DC) إلى تيار متناوب (AC). ) كما هو مطلوب للمحرك التعريفي ، والعكس صحيح (في عملية الاسترداد). أصبح هذا المزيج من العاكس (المعروف أيضًا باسم المحول الهندسي) والمحرك الكهربائي الذي طورته Coconi أساسًا لسيارة GM EV19 سيئة السمعة ، وفي شكل أكثر دقة ، tZERO الرياضي. على غرار البحث عن مهندسين يابانيين من Toyota في عملية إنشاء Prius وفتح براءة اختراع TRW ، اكتشف مبتكرو Tesla سيارة tZERO. في النهاية ، قاموا بشراء ترخيص tZero واستخدموه لبناء سيارة رودستر.
أكبر ميزة لمحرك الحث هو أنه لا يستخدم مغناطيسًا دائمًا ولا يحتاج إلى معادن باهظة الثمن أو نادرة ، والتي يتم أيضًا تعدينها في كثير من الأحيان في ظل ظروف تخلق معضلات أخلاقية للمستهلكين. ومع ذلك ، فإن كلا من المحركات المتزامنة المغناطيسية غير المتزامنة والدائمة تستفيد بشكل كامل من التقدم التكنولوجي في أجهزة أشباه الموصلات ، وكذلك في إنشاء MOSFET مع ترانزستور تأثير المجال والترانزستورات اللاحقة مع عزل ثنائي القطب (IGBT). هذا التقدم هو الذي يسمح لنا بإنشاء أجهزة العاكس المدمجة المذكورة ، وبشكل عام ، جميع إلكترونيات الطاقة في المركبات الكهربائية. حقيقة أن القدرة على تحويل بطاريات التيار المستمر بكفاءة إلى متغيرات ثلاثية الطور والعكس بالعكس يرجع إلى حد كبير إلى التقدم في تكنولوجيا التحكم قد تبدو تافهة ، ولكن ضع في اعتبارك أن التيار في إلكترونيات الطاقة يصل إلى مستويات أعلى بكثير من المعتاد في المنزل الشبكة الكهربائية ، وغالبًا ما تتجاوز القيم 150 أمبير. هذا يولد كمية كبيرة من الحرارة التي يجب أن تتعامل معها الإلكترونيات الكهربائية.

ولكن نعود إلى قضية المحركات الكهربائية. مثل محركات الاحتراق الداخلي ، يمكن تقسيمها إلى معلمات تأهيل مختلفة ، و "التزامن" هو أحدها. في الواقع ، هذا هو نتيجة لنهج بناء آخر أكثر أهمية من حيث توليد المجالات المغناطيسية وتفاعلها. على الرغم من حقيقة أن مصدر الكهرباء في وجه البطارية هو التيار المباشر ، فإن مصممي الأنظمة الكهربائية لا يفكرون حتى في استخدام محركات التيار المستمر. حتى مع مراعاة خسائر التحويل ، فإن وحدات التكييف وخاصة الوحدات المتزامنة تفوز بالمنافسة مع عناصر التيار المستمر. فماذا يعني المحرك المتزامن أو غير المتزامن حقا؟

شركة السيارات للسيارات

تنتمي المحركات المتزامنة وغير المتزامنة إلى نوع الآلات الكهربائية ذات المجال المغناطيسي الدوار ، والتي لها كثافة طاقة أعلى. بشكل عام ، يتكون الدوار غير المتزامن من حزمة بسيطة من الصفائح الصلبة ، وقضبان معدنية من الألمنيوم أو النحاس (يتم استخدامها في كثير من الأحيان في الآونة الأخيرة) مع لفائف في حلقة مغلقة. يتدفق التيار في اللفات الثابتة في أزواج متقابلة ، ويتدفق التيار من إحدى المراحل الثلاث في كل زوج. نظرًا لأنه في كل واحد منهم يتم إزاحة الطور بمقدار 120 درجة بالنسبة إلى الآخر ، وهو ما يسمى المجال المغناطيسي الدوار. يؤدي تقاطع اللفات الدوارة مع خطوط المجال المغناطيسي من الحقل الذي تم إنشاؤه بواسطة الجزء الثابت إلى تدفق التيار في الدوار ، على غرار التفاعل على المحول.
يتفاعل المجال المغناطيسي الناتج مع "الدوران" في الجزء الثابت ، مما يؤدي إلى الالتقاط الميكانيكي للدوار والدوران اللاحق. ومع ذلك ، مع هذا النوع من المحركات الكهربائية ، يتأخر الدوار دائمًا خلف الحقل ، لأنه إذا لم تكن هناك حركة نسبية بين المجال والدوار ، فلن يتم تحريك المجال المغناطيسي في الدوار. وبالتالي ، يتم تحديد الحد الأقصى لمستوى السرعة بتردد تيار الإمداد والحمل. ومع ذلك ، نظرًا للكفاءة العالية للمحركات المتزامنة ، فإن معظم الشركات المصنعة تلتزم بها ، ولكن لبعض الأسباب المذكورة أعلاه ، تظل Tesla داعمًا غير متزامن.

نعم ، هذه الآلات أرخص ، لكن لها سلبياتها ، وسيخبرك جميع الأشخاص الذين اختبروا عدة تسارعات متتالية مع الموديل S كيف ينخفض ​​الأداء بشكل كبير مع كل تكرار. تؤدي عمليات الحث وتدفق التيار إلى التسخين ، وعندما لا يتم تبريد الماكينة تحت حمولة عالية ، تتراكم الحرارة وتقل إمكانياتها بشكل كبير. لأغراض الحماية ، تقلل الإلكترونيات من مقدار التيار ويتدهور أداء التسارع. وهناك شيء آخر - لاستخدامه كمولد ، يجب أن يكون المحرك التحريضي ممغنطًا - أي "تمرير" التيار الأولي عبر الجزء الثابت ، والذي يولد المجال والتيار في الجزء المتحرك لبدء العملية. ثم يمكنه إطعام نفسه.

المحركات غير المتزامنة أو المتزامنة

تتمتع الكتل المتزامنة بكفاءة أعلى وكثافة طاقة أعلى بكثير. الفرق الكبير بين المحرك الحثي هو أن المجال المغناطيسي في الدوار لا ينجم عن التفاعل مع الجزء الثابت ، بل هو نتيجة لتدفق التيار من خلال اللفات الإضافية المثبتة فيه ، أو المغناطيس الدائم. وبالتالي ، فإن الحقل في الدوار والحقل في الجزء الثابت متزامنان ، ولكن تعتمد سرعة المحرك القصوى أيضًا على دوران المجال ، على التوالي ، على التردد والحمل الحاليين. من أجل تجنب الحاجة إلى مصدر طاقة إضافي لللفات ، مما يزيد من استهلاك الطاقة ويعقد التحكم في التيار ، تستخدم السيارات الكهربائية الحديثة والنماذج الهجينة المحركات الكهربائية مع ما يسمى الإثارة المستمرة ، أي بمغناطيس دائم. كما ذكرنا من قبل ، تستخدم جميع الشركات المصنعة لهذه السيارات حاليًا وحدات من هذا النوع ، وبالتالي ، وفقًا لكثير من الخبراء ، ستظل هناك مشكلة مع نقص عناصر الأرض النادرة باهظة الثمن من النيوديميوم والديسبروسيوم. يعد تقليل استخدامها جزءًا من طلب المهندسين في هذا المجال.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

يمنح تصميم قلب الدوار الإمكانات الأكبر لزيادة أداء الماكينة الكهربائية.
هناك العديد من الحلول التكنولوجية مع مغناطيس مثبت على السطح ، دوار على شكل قرص ، مع مغناطيس داخلي. المثير للاهتمام هنا هو حل Tesla ، الذي يستخدم التكنولوجيا المذكورة أعلاه تسمى Switched Reluctance Motor لقيادة المحور الخلفي للطراز 3. "الممانعة" ، أو المقاومة المغناطيسية ، مصطلح معاكس للتوصيل المغناطيسي ، يشبه المقاومة الكهربائية والتوصيل الكهربائي للمواد. تستخدم المحركات من هذا النوع ظاهرة أن التدفق المغناطيسي يميل إلى المرور عبر جزء من المادة الأقل مقاومة مغناطيسية. ونتيجة لذلك ، فإنها تقوم فعليًا بإزاحة المادة التي تتدفق من خلالها من أجل المرور عبر الجزء الأقل مقاومة. يستخدم هذا التأثير في محرك كهربائي لإنشاء حركة دورانية - ولهذا ، تتناوب المواد ذات المقاومة المغناطيسية المختلفة في الدوار: صلبة (على شكل أقراص نيوديميوم من الفريت) وناعمة (أقراص فولاذية). في محاولة للمرور عبر مادة مقاومة أقل ، يقوم التدفق المغناطيسي من الجزء الثابت بتدوير الجزء المتحرك حتى يتم وضعه للقيام بذلك. مع التحكم الحالي ، يقوم الحقل باستمرار بتدوير الدوار في وضع مريح. أي أن الدوران لا يبدأ إلى هذا الحد من خلال تفاعل المجالات المغناطيسية مثل ميل المجال للتدفق عبر المادة بأقل مقاومة والتأثير الناتج لدوران الدوار. من خلال تبديل المواد المختلفة ، يتم تقليل عدد المكونات باهظة الثمن.

اعتمادًا على التصميم ، يتغير منحنى الكفاءة وعزم الدوران مع سرعة المحرك. في البداية ، يكون المحرك التعريفي أقل كفاءة ، وأعلى محرك به مغناطيس سطحي ، لكنه في الأخير يتناقص بشكل حاد مع السرعة. يتميز محرك BMW i3 بطابع هجين فريد بفضل التصميم الذي يجمع بين المغناطيس الدائم وتأثير "الإحجام" الموصوف أعلاه. وبالتالي ، فإن المحرك الكهربائي يحقق مستويات عالية من القوة والعزم الثابت التي تتميز بها الآلات ذات الدوار المثار كهربائيًا ، ولكن وزنها أقل بكثير منها (هذا الأخير فعال في كثير من النواحي ، ولكن ليس من حيث الوزن). بعد كل هذا ، من الواضح أن الكفاءة آخذة في الانخفاض عند السرعات العالية ، وهذا هو السبب في أن المزيد والمزيد من الشركات المصنعة تقول إنها ستركز على ناقل الحركة ثنائي السرعات للمحركات الكهربائية.

أسئلة وأجوبة:

ما المحركات التي تستخدمها تسلا؟ جميع موديلات تسلا هي سيارات كهربائية ، لذا فهي مجهزة حصريًا بمحركات كهربائية. سيحتوي كل طراز تقريبًا على محرك تحريضي AC ثلاثي الأطوار أسفل الغطاء.

كيف يعمل محرك تسلا؟ يعمل المحرك الكهربائي غير المتزامن بسبب حدوث EMF بسبب الدوران في الجزء الثابت الثابت لحقل مغناطيسي. يتم توفير السفر العكسي عن طريق انعكاس القطبية على ملفات البداية.

أين يقع محرك تسلا؟ سيارات تسلا ذات دفع خلفي. لذلك ، يقع المحرك بين أعمدة المحور الخلفي. يتكون المحرك من الدوار والجزء الثابت ، اللذين لا يتلامسان إلا عبر المحامل.

كم يزن محرك تسلا؟ يبلغ وزن المحرك الكهربائي المجمع لموديلات تسلا 240 كجم. يتم استخدام تعديل محرك واحد بشكل أساسي.