Nicola Tesla Elektrische Maschine
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Nicola Tesla Elektrische Maschine

Elektromotoren sind viel effizienter als Verbrennungsmotoren. Warum und wann

Die grundlegende Wahrheit ist, dass die Probleme von Elektrofahrzeugen mit der Energiequelle zusammenhängen, aber sie können aus einer anderen Perspektive betrachtet werden. Wie viele Dinge im Leben, die wir für selbstverständlich halten, gelten der Elektromotor und das Steuerungssystem in Elektrofahrzeugen als das effizienteste und zuverlässigste Gerät in diesen Fahrzeugen. Um diesen Zustand zu erreichen, haben sie jedoch einen langen Weg in der Evolution zurückgelegt – von der Entdeckung des Zusammenhangs zwischen Elektrizität und Magnetismus bis hin zu dessen effektiver Umwandlung in eine mechanische Kraft. Dieses Thema wird im Zusammenhang mit der technologischen Entwicklung des Verbrennungsmotors oft unterschätzt, aber es wird immer notwendiger, mehr über die Maschine namens Elektromotor zu sprechen.

Ein oder zwei Motoren

Betrachtet man das Leistungsdiagramm eines Elektromotors, egal welcher Bauart, so stellt man fest, dass dieser einen Wirkungsgrad von über 85 Prozent, oft über 90 Prozent hat und bei rund 75 Prozent Last am effizientesten ist. maximal. Mit zunehmender Leistung und Größe des Elektromotors erweitert sich der Wirkungsgradbereich entsprechend, wo er schon früher sein Maximum erreichen kann – teilweise schon bei 20 Prozent Last. Allerdings hat die Medaille auch eine Kehrseite – trotz des erweiterten Bereichs höherer Wirkungsgrade kann der Einsatz von sehr leistungsstarken Motoren bei sehr geringer Belastung wiederum zu einem häufigen Eintritt in die Niedrigeffizienzzone führen. Entscheidungen über Größe, Leistung, Anzahl (ein oder zwei) und Verwendung (ein oder zwei je nach Last) von Elektromotoren sind daher Prozesse, die Teil der Konstruktionsarbeit beim Bau eines Autos sind. In diesem Zusammenhang ist es verständlich, warum es besser ist, zwei Motoren anstelle eines sehr starken zu haben, nämlich um nicht oft in Bereiche mit niedrigem Wirkungsgrad zu gelangen, und wegen der Möglichkeit, ihn bei niedrigen Lasten abzuschalten. Daher wird bei Teillast beispielsweise im Tesla Model 3 Performance nur der Heckmotor genutzt. Bei leistungsschwächeren Versionen ist er der einzige, bei dynamischeren Versionen ist der asynchrone mit der Vorderachse verbunden. Das ist ein weiterer Vorteil von Elektrofahrzeugen – die Leistung lässt sich einfacher steigern, Modi werden je nach Effizienzanforderungen genutzt und duale Antriebsstränge sind ein nützlicher Nebeneffekt. Der niedrigere Wirkungsgrad bei niedriger Last verhindert jedoch nicht, dass ein Elektromotor aufgrund seiner grundlegend anderen Wirkungsweise und Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern auch unter solchen Bedingungen im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor Schub bei Drehzahl Null erzeugt. Die oben erwähnte Tatsache der Effizienz steht im Mittelpunkt der Motorkonstruktion und der Betriebsmodi – wie gesagt, ein überdimensionierter Motor, der kontinuierlich bei niedriger Last läuft, wäre ineffizient.

Mit der rasanten Entwicklung der Elektromobilität wächst die Vielfalt in der Motorenproduktion. Es werden immer mehr Vereinbarungen und Vereinbarungen entwickelt, bei denen einige Hersteller wie BMW und VW ihre eigenen Autos entwerfen und herstellen, andere Anteile an Unternehmen kaufen, die mit diesem Geschäft zusammenhängen, und wieder andere an Zulieferer wie Bosch auslagern. Wenn Sie die technischen Daten eines elektrisch betriebenen Modells lesen, werden Sie in den meisten Fällen feststellen, dass sein Motor "AC-Permanentmagnet-Synchronmotor" ist. Allerdings nutzt der Tesla-Pionier andere Lösungen in diese Richtung – Asynchronmotoren in allen bisherigen Modellen und eine Kombination aus Asynchron- und sog. „Widerstandsschaltmotor als Hinterachsantrieb im 3 Performance Modell. Bei günstigeren Versionen nur mit Hinterradantrieb ist er der einzige. Auch beim q-tron-Modell setzt Audi auf Asynchronmotoren und beim kommenden e-tron Q4 auf eine Kombination aus Synchron- und Asynchronmotoren. Worum geht es wirklich?

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Die Tatsache, dass Nikola Tesla den asynchronen oder mit anderen Worten den "asynchronen" Elektromotor (schon Ende des 19. ... ... Tatsächlich wurde das Funktionsprinzip des Tesla-Motors in den 60er Jahren populärer, als Halbleiterbauelemente allmählich unter der Sonne auftauchten und der amerikanische Ingenieur Alan Coconi tragbare Halbleiter-Wechselrichter entwickelte, die Gleichstrombatterien (DC) in Wechselstrom (AC .) umwandeln können ) wie für einen Induktionsmotor erforderlich und umgekehrt (im Wiederherstellungsprozess). Diese von Coconi entwickelte Kombination aus Inverter (auch bekannt als Engineering Transverter) und Elektromotor wurde zur Basis für den berüchtigten GM EV1 und in verfeinerter Form für den sportlichen tZERO. In Analogie zur Suche nach japanischen Ingenieuren von Toyota während der Entwicklung des Prius und der Entdeckung des TRW-Patents entdeckten die Schöpfer von Tesla das tZERO-Auto. Schließlich kauften sie eine tZero-Lizenz und nutzten sie, um einen Roadster zu bauen.
Der größte Vorteil eines Induktionsmotors besteht darin, dass er keine Permanentmagnete verwendet und keine teuren oder seltenen Metalle benötigt, die häufig auch unter Bedingungen abgebaut werden, die für die Verbraucher moralische Dilemmata schaffen. Sowohl Asynchron- als auch Permanentmagnet-Synchronmotoren nutzen jedoch den technologischen Fortschritt in Halbleiterbauelementen sowie bei der Herstellung von MOSFETs mit einem Feldeffekttransistor und späteren Transistoren mit bipolarer Isolation (IGBT) voll aus. Dieser Fortschritt ermöglicht es uns, die genannten kompakten Wechselrichtergeräte und im Allgemeinen die gesamte Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen herzustellen. Die Tatsache, dass die Fähigkeit, Gleichstrombatterien effizient in dreiphasige Variablen umzuwandeln und umgekehrt, größtenteils auf Fortschritte in der Steuerungstechnik zurückzuführen ist, mag trivial erscheinen, bedenken Sie jedoch, dass der Strom in der Leistungselektronik ein vielfach höheres Niveau erreicht als im Haushalt üblich Stromnetz und oft überschreiten Werte 150 Ampere. Dies erzeugt eine große Wärmemenge, mit der die Leistungselektronik umgehen muss.

Aber zurück zum Thema Elektromotoren. Wie Verbrennungsmotoren können sie in verschiedene Qualifikationsparameter unterteilt werden, und „Synchronisation“ ist einer davon. Tatsächlich ist dies eine Folge eines viel wichtigeren anderen konstruktiven Ansatzes in Bezug auf die Erzeugung und Wechselwirkung von Magnetfeldern. Trotz der Tatsache, dass die Stromquelle angesichts der Batterie Gleichstrom ist, denken die Entwickler elektrischer Systeme nicht einmal an die Verwendung von Gleichstrommotoren. Selbst unter Berücksichtigung von Umwandlungsverlusten gewinnen AC-Einheiten und insbesondere Synchroneinheiten den Wettbewerb mit DC-Elementen. Was bedeutet ein Synchron- oder Asynchronmotor wirklich?

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Sowohl Synchron- als auch Asynchronmotoren gehören zu den elektrischen Maschinen mit rotierendem Magnetfeld, die eine höhere Leistungsdichte aufweisen. Im Allgemeinen besteht ein asynchroner Rotor aus einem einfachen Paket aus massiven Blechen, Metallstäben aus Aluminium oder Kupfer (in letzter Zeit immer häufiger verwendet) mit Spulen in einer geschlossenen Schleife. Der Strom fließt in den Statorwicklungen in entgegengesetzten Paaren, und der Strom aus einer der drei Phasen fließt in jedem Paar. Da es in jedem von ihnen um 120 Grad gegenüber dem anderen phasenverschoben ist, entsteht das sogenannte rotierende Magnetfeld. Der Schnittpunkt der Rotorwicklungen mit den Magnetfeldlinien aus dem vom Stator erzeugten Feld führt zu einem Stromfluss im Rotor, ähnlich der Wechselwirkung am Transformator.
Das resultierende Magnetfeld interagiert mit dem "Drehen" im Stator, was zu einer mechanischen Erfassung des Rotors und einer anschließenden Drehung führt. Bei diesem Elektromotortyp bleibt der Rotor jedoch immer hinter dem Feld zurück, da das Magnetfeld im Rotor nicht induziert wird, wenn keine Relativbewegung zwischen dem Feld und dem Rotor besteht. Das maximale Drehzahlniveau wird somit durch die Frequenz des Versorgungsstroms und der Last bestimmt. Aufgrund des höheren Wirkungsgrads von Synchronmotoren halten sich die meisten Hersteller an diese, aber aus einigen der oben genannten Gründe bleibt Tesla ein Befürworter von Asynchron.

Ja, diese Maschinen sind billiger, aber sie haben ihre Nachteile, und alle Leute, die mehrere aufeinanderfolgende Beschleunigungen mit dem Model S getestet haben, werden Ihnen sagen, wie die Leistung mit jeder Iteration drastisch abfällt. Die Prozesse der Induktion und des Stromflusses führen zu Erwärmung, und wenn die Maschine nicht unter hoher Last gekühlt wird, staut sich Wärme und ihre Leistungsfähigkeit wird erheblich reduziert. Zum Schutz reduziert die Elektronik die Strommenge und das Beschleunigungsverhalten wird herabgesetzt. Und noch etwas - um als Generator verwendet zu werden, muss der Induktionsmotor magnetisiert werden - das heißt, um den Anfangsstrom durch den Stator zu "leiten", der das Feld und den Strom im Rotor erzeugt, um den Prozess zu starten. Dann kann er sich selbst ernähren.

Asynchrone oder Synchronmotoren

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Synchrone Blöcke haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad und eine höhere Leistungsdichte. Ein wesentlicher Unterschied zwischen einem Induktionsmotor besteht darin, dass das Magnetfeld im Rotor nicht durch Wechselwirkung mit dem Stator induziert wird, sondern das Ergebnis des Stroms ist, der durch die darin installierten zusätzlichen Wicklungen oder Permanentmagnete fließt. Somit sind das Feld im Rotor und das Feld im Stator synchron, aber die maximale Motordrehzahl hängt auch von der Drehung des Feldes bzw. von der aktuellen Frequenz und Last ab. Um zu vermeiden, dass die Wicklungen zusätzlich mit Strom versorgt werden müssen, was den Energieverbrauch erhöht und die Stromregelung erschwert, verwenden moderne Elektrofahrzeuge und Hybridmodelle Elektromotoren mit der sogenannten konstanten N.-Erregung, d. H. mit Permanentmagneten. Wie bereits erwähnt, verwenden derzeit fast alle Hersteller solcher Autos Einheiten dieses Typs. Daher wird es nach Ansicht vieler Experten immer noch ein Problem mit dem Mangel an teuren Seltenerdelementen von Neodym und Dysprosium geben. Die Reduzierung ihres Einsatzes ist Teil der Nachfrage der Ingenieure in diesem Bereich.

Das Design des Rotorkerns bietet das größte Potenzial zur Steigerung der Leistung einer elektrischen Maschine.
Es gibt verschiedene technologische Lösungen mit oberflächenmontierten Magneten, scheibenförmigem Rotor, mit innen eingebauten Magneten. Interessant ist hier die Lösung von Tesla, die die bereits erwähnte Technologie namens Switched Reluctance Motor nutzt, um die Hinterachse des Model 3 anzutreiben. "Reluktanz" oder magnetischer Widerstand ist ein Begriff, der der magnetischen Leitfähigkeit entgegengesetzt ist, ähnlich dem elektrischen Widerstand und der elektrischen Leitfähigkeit von Materialien. Motoren dieses Typs nutzen das Phänomen, dass magnetischer Fluss dazu neigt, durch den Teil des Materials mit dem geringsten magnetischen Widerstand zu gehen. Infolgedessen verdrängt es das Material, durch das es fließt, physikalisch, um den Teil mit dem geringsten Widerstand zu passieren. Dieser Effekt wird in einem Elektromotor genutzt, um eine Rotationsbewegung zu erzeugen – dafür wechseln sich im Rotor Materialien mit unterschiedlichem magnetischem Widerstand ab: hart (in Form von Ferrit-Neodym-Scheiben) und weich (Stahlscheiben). Bei dem Versuch, Material mit niedrigerem Widerstand zu passieren, dreht der Magnetfluss vom Stator den Rotor, bis er dazu positioniert ist. Bei Stromregelung dreht das Feld den Rotor ständig in eine angenehme Position. Das heißt, die Rotation wird nicht in einem solchen Ausmaß durch die Wechselwirkung der Magnetfelder ausgelöst wie durch die Tendenz des Felds, das Material mit dem geringsten Widerstand zu durchströmen, und die daraus resultierende Wirkung der Rotation des Rotors. Durch den Wechsel unterschiedlicher Materialien wird die Anzahl teurer Bauteile reduziert.

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Je nach Auslegung ändern sich Wirkungsgradverlauf und Drehmoment mit der Motordrehzahl. Anfangs hat der Induktionsmotor den niedrigsten Wirkungsgrad und der höchste hat Oberflächenmagnete, aber bei letzterem nimmt er mit der Geschwindigkeit stark ab. Der BMW i3 Motor hat einen einzigartigen Hybridcharakter, dank einer Konstruktion, die Permanentmagnete und den oben beschriebenen „Reluktanz“-Effekt kombiniert. Damit erreicht der Elektromotor die für Maschinen mit elektrisch erregtem Rotor charakteristischen hohen Dauerleistungen und Drehmomente, hat aber deutlich weniger Gewicht als diese (letztere sind in vielerlei Hinsicht effizient, aber nicht im Gewicht). Denn klar ist, dass der Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen nachlässt, weshalb immer mehr Hersteller ankündigen, auf Zweiganggetriebe für Elektromotoren zu setzen.

Fragen und Antworten:

Welche Motoren verwendet Tesla? Alle Tesla-Modelle sind Elektrofahrzeuge, sie sind also ausschließlich mit Elektromotoren ausgestattet. Fast jedes Modell wird einen 3-Phasen-Wechselstrom-Induktionsmotor unter der Haube haben.

Wie funktioniert ein Tesla-Motor? Ein asynchroner Elektromotor arbeitet aufgrund des Auftretens einer EMF aufgrund der Drehung in einem stationären Stator eines Magnetfelds. Der Rückwärtslauf erfolgt durch Umpolung der Starterspulen.

Wo befindet sich der Tesla-Motor? Tesla-Autos sind Heckantrieb. Daher befindet sich der Motor zwischen den Hinterachswellen. Der Motor besteht aus Rotor und Stator, die sich nur über Lager berühren.

Wie viel wiegt ein Tesla-Motor? Das Gewicht des zusammengebauten Elektromotors für Tesla-Modelle beträgt 240 Kilogramm. Grundsätzlich wird eine Motormodifikation verwendet.

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