Elektrické auto Nikoly Tesly
Zařízení vozidla,  Provoz strojů

Elektrické auto Nikoly Tesly

Elektromotory jsou mnohem účinnější než spalovací motory. Proč a kdy

Základní pravdou je, že problémy elektromobilů souvisejí se zdrojem energie, ale lze na ně nahlížet z jiné perspektivy. Stejně jako mnoho věcí v životě, které považujeme za samozřejmé, jsou elektromotor a řídicí systém v elektrických vozidlech považovány za nejúčinnější a nejspolehlivější zařízení v těchto vozidlech. Aby však tohoto stavu dosáhli, ušli v evoluci dlouhou cestu – od objevení souvislosti mezi elektřinou a magnetismem až po její efektivní přeměnu v mechanickou sílu. Toto téma bývá v rámci povídání o technologickém vývoji spalovacího motoru často podceňováno, ale čím dál tím více je nutné hovořit o stroji zvaném elektromotor.

Jeden nebo dva motory

Když se podíváte na graf výkonu elektromotoru, bez ohledu na jeho typ, zjistíte, že má účinnost přes 85 procent, často i přes 90 procent a že nejúčinnější je při zatížení kolem 75 procent. maximum. S rostoucím výkonem a velikostí elektromotoru se odpovídajícím způsobem rozšiřuje rozsah účinnosti, kde může dosáhnout maxima i dříve – někdy při 20procentním zatížení. Je tu však i druhá strana mince – i přes rozšířený rozsah vyšší účinnosti může použití velmi výkonných motorů s velmi nízkou zátěží opět vést k častému vstupu do zóny nízké účinnosti. Proto rozhodování o velikosti, výkonu, počtu (jeden nebo dva) a použití (jeden nebo dva v závislosti na zatížení) elektromotorů jsou procesy, které jsou součástí projekční práce při konstrukci automobilu. V této souvislosti je pochopitelné, proč je lepší mít dva motory místo velmi výkonného, ​​a to proto, aby se často nedostal do oblastí s nízkou účinností, a kvůli možnosti jeho odstavení při nízké zátěži. Při částečném zatížení se tedy například u Tesly Model 3 Performance používá pouze zadní motor. V méně výkonných verzích je jediný a v dynamičtějších verzích je asynchronní spojen s přední nápravou. To je další výhoda elektromobilů – výkon lze snáze zvýšit, režimy se používají v závislosti na požadavcích na účinnost a duální pohonné jednotky jsou užitečným vedlejším efektem. Nižší účinnost při nízké zátěži však nebrání tomu, že na rozdíl od spalovacího motoru elektromotor díky zásadně odlišnému principu činnosti a interakce magnetických polí i za takových podmínek generuje tah v nulových otáčkách. Výše zmíněný fakt účinnosti je jádrem konstrukce motoru a provozních režimů – jak jsme si řekli, předimenzovaný motor nepřetržitě běžící při nízké zátěži by byl neefektivní.

S rychlým rozvojem elektrické mobility se rozšiřuje diverzita z hlediska výroby motorů. Vyvíjí se stále více dohod a ujednání, kdy někteří výrobci jako BMW a VW navrhují a vyrábějí svá vlastní auta, jiní kupují podíly ve společnostech souvisejících s tímto podnikáním a další zadávají dodavatelům, jako je Bosch. Ve většině případů, když si přečtete specifikace elektricky poháněného modelu, zjistíte, že jeho motor je „synchronní AC permanentní magnet“. Průkopník Tesla však v tomto směru využívá jiná řešení – asynchronní motory u všech předchozích modelů a kombinaci asynchronních a tkz. „Odporový spínací motor jako pohon zadní nápravy u modelu 3 Performance. V levnějších verzích s pohonem pouze zadních kol je jediný. Audi také používá indukční motory pro model q-tron a kombinaci synchronních a asynchronních motorů pro chystaný e-tron Q4. O co vlastně jde?

Elektrické auto Nikoly Tesly

Skutečnost, že Nikola Tesla vynalezl asynchronní nebo jinými slovy „asynchronní“ elektromotor (koncem 19. století), nemá žádnou přímou souvislost s tím, že modely Tesla Motors jsou jedním z mála automobilů poháněných takovým strojem ... Ve skutečnosti se provozní princip motoru Tesla stal populárnějším v 60. letech, kdy se postupně objevovaly polovodičová zařízení pod sluncem, a americký inženýr Alan Coconi vyvinul přenosné polovodičové střídače, které mohou převádět stejnosměrné (DC) baterie na střídavý proud (AC ), jak je požadováno pro indukční motor, a naopak (v procesu obnovy). Tato kombinace měniče (také známého jako strojírenský měnič) a elektrického motoru vyvinutého společností Coconi se stala základem pro nechvalně proslulý GM EV1 a v rafinovanější podobě sportovní tZERO. Analogicky s hledáním japonských inženýrů z Toyoty při vytváření Priusu a objevu patentu TRW objevili tvůrci Tesly vůz tZERO. Nakonec si koupili licenci tZero a použili ji ke stavbě roadsteru.
Největší výhodou indukčního motoru je, že nepoužívá permanentní magnety a nepotřebuje drahé nebo vzácné kovy, které se také často těží v podmínkách, které pro spotřebitele vytvářejí morální dilemata. Asynchronní i synchronní motory s permanentními magnety však plně využívají technologického pokroku v polovodičových součástkách i při vytváření MOSFETů s tranzistory s efektem pole a později s bipolárními izolačními tranzistory (IGBT). Právě tento pokrok umožňuje vytvářet zmíněná kompaktní invertorová zařízení a obecně veškerou výkonovou elektroniku v elektrických vozidlech. Může se zdát triviální, že schopnost efektivně převádět stejnosměrné na 150fázové střídavé baterie a naopak je do značné míry způsobena pokroky v regulační technologii, je však třeba mít na paměti, že proud ve výkonové elektronice dosahuje mnohonásobně vyšších úrovní, než je obvyklé v domácnosti elektrická síť a hodnoty často přesahují XNUMX ampérů. To generuje velké množství tepla, s nímž si musí výkonová elektronika poradit.

Ale zpět k otázce elektromotorů. Stejně jako motory s vnitřním spalováním je lze rozdělit do různých kvalifikací a „načasování“ je jednou z nich. Ve skutečnosti je to důsledek mnohem důležitějšího odlišného konstruktivního přístupu, pokud jde o generování a interakci magnetických polí. Navzdory skutečnosti, že zdrojem elektřiny v osobě baterie je stejnosměrný proud, návrháři elektrických systémů o použití stejnosměrných motorů ani nepomyslí. I když vezmeme v úvahu ztráty z převodu, střídavé jednotky a zejména synchronní jednotky překonávají konkurenci s prvky DC. Co tedy vlastně znamená synchronní nebo asynchronní motor?

Společnost vyrábějící elektromobily

Synchronní i asynchronní motory jsou typu elektrických strojů s rotujícím magnetickým polem, které mají vyšší hustotu výkonu. Obecně se indukční rotor skládá z jednoduchého stohu pevných plechů, hliníkových nebo měděných kovových tyčí (v poslední době stále častěji používaných) s cívkami v uzavřené smyčce. Proud proudí ve vinutí statoru v protilehlých párech, přičemž proud z jedné ze tří fází proudí v každém páru. Protože v každém z nich je fázově posunut o 120 stupňů vůči druhému, tzv. Rotujícímu magnetickému poli. Průsečík vinutí rotoru s linkami magnetického pole z pole vytvářeného statorem vede k toku proudu v rotoru, podobně jako interakce na transformátoru.
Výsledné magnetické pole interaguje s „rotací“ ve statoru, což vede k mechanickému uchycení rotoru a následné rotaci. U tohoto typu elektromotoru však rotor vždy zaostává za polem, protože pokud nedojde k relativnímu pohybu mezi polem a rotorem, nebude v rotoru indukováno žádné magnetické pole. Maximální úroveň rychlosti je tedy určena frekvencí napájecího proudu a zátěže. Kvůli vyšší účinnosti synchronních motorů se jich však většina výrobců drží, ale z některých výše uvedených důvodů zůstává Tesla zastáncem asynchronních motorů.

Ano, tyto stroje jsou levnější, ale mají své stinné stránky a všichni lidé, kteří testovali několik postupných zrychlení s Modelem S, vám řeknou, jak výkon s každou iterací drasticky klesá. Procesy indukce a toku proudu vedou k ohřevu a při nechladnutí stroje při vysoké zátěži se teplo hromadí a jeho schopnosti se výrazně snižují. Pro účely ochrany elektronika snižuje množství proudu a snižuje se výkon zrychlení. A ještě jedna věc - aby mohl být indukční motor použit jako generátor, musí být zmagnetizován - to znamená, aby "prošel" počáteční proud statorem, který generuje pole a proud v rotoru pro spuštění procesu. Pak se může živit sám.

Asynchronní nebo synchronní motory

Elektrické auto Nikoly Tesly


Synchronní jednotky mají výrazně vyšší účinnost a hustotu výkonu. Významný rozdíl mezi indukčním motorem spočívá v tom, že magnetické pole v rotoru není indukováno interakcí se statorem, ale je výsledkem proudu protékajícího přídavnými vinutími, která jsou v něm instalována, nebo permanentními magnety. Pole v rotoru a pole ve statoru jsou tedy synchronní, ale maximální rychlost motoru závisí také na rotaci pole, respektive na aktuální frekvenci a zátěži. Aby se zabránilo potřebě dodatečného napájení vinutí, což zvyšuje spotřebu elektřiny a komplikuje řízení proudu, používají se v moderních elektrických vozidlech a hybridních modelech elektromotory s tzv. Konstantním buzením. s permanentními magnety. Jak již bylo zmíněno, téměř všichni výrobci těchto vozidel v současné době používají jednotky tohoto typu, proto podle mnoha odborníků stále přetrvává problém s nedostatkem drahého neodymu vzácných zemin a dysprosia. Omezení jejich používání je součástí poptávky inženýrů v této oblasti.

Konstrukce jádra rotoru nabízí největší potenciál pro zlepšení výkonu elektrického stroje.
Existují různá technologická řešení s povrchovými magnety, kotoučovým rotorem, s uvnitř zabudovanými magnety. Zajímavé je zde řešení Tesly, která k pohonu zadní nápravy Modelu 3 využívá již zmíněnou technologii s názvem Switched Reluctance Motor. "Reluktance" nebo magnetický odpor je termín opačný k magnetické vodivosti, podobně jako elektrický odpor a elektrická vodivost materiálů. Motory tohoto typu využívají jevu, že magnetický tok má tendenci procházet částí materiálu s nejmenším magnetickým odporem. V důsledku toho fyzicky přemístí materiál, kterým protéká, aby prošel součástí s nejmenším odporem. Tento efekt se využívá u elektromotoru k vytvoření rotačního pohybu - k tomu se v rotoru střídají materiály s různým magnetickým odporem: tvrdé (ve formě feritových neodymových kotoučů) a měkké (ocelové kotouče). Ve snaze projít materiálem s nižším odporem magnetický tok ze statoru otáčí rotorem, dokud není v takové poloze. Při řízení proudu pole neustále otáčí rotorem do pohodlné polohy. To znamená, že rotace není iniciována do takové míry interakcí magnetických polí jako tendence pole protékat materiálem s nejmenším odporem a výsledný efekt rotace rotoru. Střídáním různých materiálů se snižuje počet drahých součástí.

Elektrické auto Nikoly Tesly

V závislosti na konstrukci se křivka účinnosti a točivý moment mění s otáčkami motoru. Zpočátku má indukční motor nejnižší účinnost a nejvyšší má povrchové magnety, ale u těch druhých s rychlostí prudce klesá. Motor BMW i3 má jedinečný hybridní charakter, a to díky konstrukci, která kombinuje permanentní magnety a výše popsaný efekt „neochota“. Elektromotor tak dosahuje vysokých úrovní konstantního výkonu a točivého momentu, které jsou charakteristické pro stroje s elektricky buzeným rotorem, ale má výrazně nižší hmotnost než tyto stroje (druhé jsou v mnoha ohledech účinné, ale ne z hlediska hmotnosti). Po tom všem je jasné, že účinnost ve vysokých otáčkách klesá, a proto stále více výrobců říká, že se u elektromotorů zaměří na dvourychlostní převodovky.

Otázky a odpovědi:

Jaké motory používá Tesla? Všechny modely Tesla jsou elektromobily, takže jsou vybaveny výhradně elektromotory. Téměř každý model bude mít pod kapotou 3-fázový AC indukční motor.

Jak funguje motor Tesla? Asynchronní elektromotor pracuje kvůli výskytu EMF v důsledku rotace magnetického pole ve stacionárním statoru. Zpětný chod je zajištěn přepólováním na cívkách startéru.

Kde se nachází motor Tesla? Vozy Tesla mají pohon zadních kol. Proto je motor umístěn mezi hřídelemi zadní nápravy. Motor se skládá z rotoru a statoru, které se vzájemně dotýkají pouze prostřednictvím ložisek.

Kolik váží motor Tesla? Hmotnost sestaveného elektromotoru pro modely Tesla je 240 kilogramů. V zásadě se používá jedna úprava motoru.

Jeden komentář

Přidat komentář