Электрическая машина никола тесла

Электродвигатели намного эффективнее двигателей внутреннего сгорания. Почему и когда

Основная истина заключается в том, что проблемы электромобилей связаны с источником энергии, но их можно рассматривать с другой точки зрения. Как и многие вещи в жизни, которые мы воспринимаем как должное, электродвигатель и система управления в электромобилях считаются наиболее эффективным и надежным устройством в этих машинах. Однако, чтобы достичь такого положения вещей, они прошли долгий путь в эволюции — от обнаружения связи между электричеством и магнетизмом до его эффективного превращения в механическую силу. Эту тему часто недооценивают в контексте разговоров о технологическом развитии двигателя внутреннего сгорания, но становится все более необходимым рассказать больше о машине, называемой электродвигателем.

Один или два мотора

Если вы посмотрите на график производительности электродвигателя, независимо от его типа, вы заметите, что его КПД составляет более 85 процентов, часто более 90 процентов, и что он имеет самый высокий КПД при уровне нагрузки около 75 процентов. максимум. С увеличением мощности и размеров электродвигателя, соответственно, расширяется диапазон КПД, где он может достичь своего максимума еще раньше — иногда при нагрузке 20 процентов. Однако у монеты есть и другая сторона — несмотря на расширенный диапазон более высокой эффективности, использование очень мощных двигателей с очень низкой нагрузкой может снова привести к частому входу в зону с низкой эффективностью. Следовательно, решения относительно размера, мощности, количества (одного или двух) и использования (одного или двух в зависимости от нагрузки) электродвигателей являются процессами, которые являются частью проектных работ при конструировании автомобиля. В этом контексте понятно, почему лучше иметь два двигателя вместо очень мощного, а именно, чтобы он не часто входил в зоны с низким КПД, и из-за возможности его отключения при низких нагрузках. Поэтому при частичной нагрузке, например, в Tesla Model 3 Performance используется только задний двигатель. В менее мощных версиях он является единственным, а в более динамичных версиях асинхронный соединен с передней осью. Это еще одно преимущество электромобилей — мощность может быть увеличена легче, режимы используются в зависимости от требований эффективности, а полезным побочным эффектом является двойная трансмиссия. Однако более низкий КПД при низкой нагрузке не препятствует тому факту, что, в отличие от двигателя внутреннего сгорания, электродвигатель создает тягу на нулевой скорости благодаря своему принципиально другому принципу работы и взаимодействия между магнитными полями даже в таких условиях. Вышеупомянутый факт эффективности лежит в основе конструкции двигателя и режимов работы — как мы уже говорили, двигатель увеличенного размера, непрерывно работающий в режимах низкой нагрузки, был бы неэффективным.

С быстрым развитием электрической мобильности, разнообразие с точки зрения производства двигателей расширяется. Разрабатываются новые и новые соглашения и договоренности, в соответствии с которыми некоторые производители, такие как BMW и VW, проектируют и производят свои собственные машины, другие покупают акции в компаниях, связанных с этим бизнесом, а третьи передают на аутсорсинг таким поставщикам, как Bosch. В большинстве случаев, если вы прочитаете характеристики модели с электрическим питанием, вы обнаружите, что ее двигатель является «синхронным с постоянным магнитом переменного тока». Тем не менее, пионер Tesla использует другие решения в этом направлении — асинхронные двигатели во всех предыдущих моделях и сочетание асинхронных и так называемых. «Двигатель с переключением сопротивления в качестве привода заднего моста в модели 3 Performance. В более дешевых версиях только с задним приводом он единственный. Audi также использует асинхронные двигатели для модели q-tron и комбинацию синхронных и асинхронных двигателей для ожидаемого e-tron Q4. О чем это на самом деле?

Электрическая машина никола тесла

Тот факт, что Никола Тесла изобрел асинхронный или, другими словами, «асинхронный» электродвигатель (еще в конце 19-го века), не имеет прямой связи с тем фактом, что модели Tesla Motors являются одними из немногих автомобилей, приводимых в действие такой машиной. Фактически, принцип работы двигателя Тесла стал более популярным в 60-х годах, когда полупроводниковые приборы постепенно появились под солнцем, и американский инженер Алан Кокони разработал портативные полупроводниковые инверторы, которые могут преобразовывать постоянный ток (DC) батареи в переменный ток ( AC), как требуется для асинхронного двигателя, и наоборот (в процессе восстановления). Эта комбинация инвертора (также известного как инженерный трансвертер) и электродвигателя, разработанного компанией Coconi, стала основой для создания пресловутого GM EV1 и в более совершенной форме спортивного tZERO. По аналогии с поиском японских инженеров из Toyota в процессе создания Prius и открытия патента компании TRW, создатели Tesla обнаружили автомобиль tZERO. В конце концов, они купили лицензию tZero и использовали ее для создания родстера.
Самым большим преимуществом асинхронного двигателя является то, что он не использует постоянные магниты и не нуждается в дорогих или редких металлах, которые также часто добываются в условиях, которые создают моральные дилеммы для потребителей. Однако как асинхронные, так и синхронные двигатели с постоянными магнитами в полной мере используют технологические достижения в полупроводниковых устройствах, а также в создании МОП-транзисторов с полевым транзистором и более поздних транзисторов с биполярной изоляцией (IGBT). Именно этот прогресс позволяет создавать упомянутые компактные инверторные устройства и вообще всю силовую электронику в электромобилях. Тот факт, что способность эффективно преобразовывать батареи постоянного тока в трехфазные переменные и наоборот во многом обусловлена ​​достижениями в технологии управления, может показаться тривиальным, но следует учитывать, что величина тока в силовой электронике достигает уровней во много раз выше, чем обычно в бытовой электрической сети, и часто значения превышают 150 ампер. Это генерирует большое количество тепла, с которым силовая электроника должна иметь дело.

Но вернемся к вопросу электродвигателей. Как и двигатели внутреннего сгорания, их можно разделить на различные квалификационные параметры, и «синхронизация» является одним из них. Фактически, это является следствием гораздо более важного другого конструктивного подхода с точки зрения генерации и взаимодействия магнитных полей. Несмотря на то, что источником электричества в лице батареи является постоянный ток, конструкторы электрических систем даже не думают использовать электродвигатели постоянного тока. Даже принимая во внимание потери от преобразований, блоки переменного тока и особенно синхронные блоки выигрывают конкуренцию с элементами постоянного тока. Так что же на самом деле означает синхронный или асинхронный двигатель?

Автокомпания электродвигателей

Как синхронные, так и асинхронные двигатели относятся к типу электрических машин с вращающимся магнитным полем, которые имеют более высокую плотность мощности. В общем, асинхронный ротор состоит из простого пакета сплошных листов, металлических стержней из алюминия или меди (все чаще используется в последнее время) с катушками в замкнутом контуре. Ток течет в обмотках статора в противоположных парах, причем ток из одной из трех фаз течет в каждой паре. Так как в каждом из них он сдвинут по фазе на 120 градусов относительно другого, так называемый вращающееся магнитное поле. Пересечение обмоток ротора линиями магнитного поля от поля, создаваемого статором, приводит к протеканию тока в роторе, аналогичному взаимодействию на трансформаторе.
Результирующее магнитное поле взаимодействует с «вращающимся» в статоре, что приводит к механическому захвату ротора и последующему вращению. Однако с этим типом электродвигателя ротор всегда отстает от поля, потому что если нет относительного движения между полем и ротором, магнитное поле не будет индуцировано в роторе. Таким образом, уровень максимальной скорости определяется частотой тока питания и нагрузкой. Однако из-за более высокой эффективности синхронных двигателей большинство производителей придерживаются их, но по некоторым из вышеуказанных причин Тесла остается сторонником асинхронных.

Да, эти машины дешевле, но у них есть свои недостатки, и все люди, которые тестировали несколько последовательных ускорений с Model S, скажут вам, как резко снижается производительность с каждым повторением. Процессы индукции и протекания тока приводят к нагреву, и когда при высокой нагрузке машина не охлаждается, тепло накапливается и его возможности значительно снижаются. В целях защиты электроника уменьшает величину тока, а характеристики ускорения ухудшаются. И еще одна вещь — для использования в качестве генератора асинхронный двигатель должен быть намагничен — то есть, чтобы «пропустить» начальный ток через статор, который генерирует поле и ток в роторе, чтобы начать процесс. Затем он может прокормить себя.

Асинхронные или синхронные двигатели

Синхронные блоки имеют значительно более высокую эффективность и удельную мощность. Существенное отличие асинхронного двигателя состоит в том, что магнитное поле в роторе не индуцируется взаимодействием со статором, а является результатом тока, протекающего через установленные в нем дополнительные обмотки, или постоянных магнитов. Таким образом, поле в роторе и поле в статоре являются синхронными, но максимальная скорость двигателя также зависит от вращения поля, соответственно от текущей частоты и нагрузки. Во избежание необходимости дополнительного питания обмоток, что увеличивает потребление электроэнергии и усложняет управление током, в современных электромобилях и гибридных моделях используются электродвигатели с т. Н. постоянное возбуждение, т.е. с постоянными магнитами. Как уже упоминалось, почти все производители таких автомобилей в настоящее время используют агрегаты такого типа, поэтому, по мнению многих экспертов, все еще будет возникать проблема с нехваткой дорогих редкоземельных элементов неодима и диспрозия. Сокращение их использования является частью спроса инженеров в этой области.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Конструкция сердечника ротора дает наибольшие возможности для повышения производительности электрической машины.
Существуют различные технологические решения с поверхностным монтажом магнитов, дисковой формой ротора, с внутренне встроенными магнитами. Здесь интересным является решение Tesla, в котором для управления задним мостом модели 3 используется вышеупомянутая технология, называемая двигателем с переключаемым сопротивлением. «Нежелание», или магнитное сопротивление, является термином, противоположным магнитной проводимости, подобным электрическому сопротивлению и электрической проводимости материалов. В двигателях этого типа используется явление, при котором магнитный поток имеет тенденцию проходить через часть материала с наименьшим магнитным сопротивлением. В результате он физически вытесняет материал, через который он течет, чтобы пройти через деталь с наименьшим сопротивлением. Этот эффект используется в электродвигателе для создания вращательного движения — для этого в роторе чередуются материалы с разным магнитным сопротивлением: твердые (в виде ферритовых неодимовых дисков) и мягкие (стальные диски). В попытке пройти через материал с более низким сопротивлением магнитный поток от статора вращает ротор до тех пор, пока он не будет расположен так, чтобы это произошло. При текущем контроле поле постоянно вращает ротор в удобном положении. То есть вращение не инициируется до такой степени взаимодействием магнитных полей, как склонность поля течь через материал с наименьшим сопротивлением и возникающий эффект вращения ротора. Чередуя различные материалы, количество дорогих компонентов уменьшается.

В зависимости от конструкции кривая эффективности и крутящий момент меняются в зависимости от частоты вращения двигателя. Первоначально самый низкий КПД у асинхронного двигателя, а самый высокий — у поверхностных магнитов, но в последнем он резко уменьшается со скоростью. Двигатель BMW i3 обладает уникальным гибридным характером, благодаря дизайну, который сочетает в себе постоянные магниты и эффект «нежелания», описанный выше. Таким образом, электродвигатель достигает высоких уровней постоянной мощности и крутящего момента, характерных для машин с электрическим возбуждением ротора, но имеет значительно меньший вес, чем их (последние эффективны во многих отношениях, но не с точки зрения веса). После всего этого становится ясно, что эффективность снижается на высоких скоростях, и поэтому все больше и больше производителей говорят, что они сосредоточатся на двухскоростных трансмиссиях для электродвигателей.

Вопросы и ответы:

Какие двигатели использует Тесла? Все модели марки Tesla – электромобили, поэтому они оснащаются исключительно электромоторами. Под капотом практически каждой модели будет стоять 3-фазный асинхронный двигатель переменного тока.

Как работает двигатель Тесла? Асинхронный электромотор работает за счет возникновения ЭДС благодаря вращению в неподвижном статоре магнитного поля. Задний ход обеспечивается переключением полярности на стартерных катушках.

Где расположен двигатель Тесла? Автомобили Тесла заднеприводные. Поэтому мотор располагается между задними полуосями. Двигатель состоит из ротора и статора, которые контактируют друг с другом только через подшипники.

Сколько весит двигатель Тесла? Вес собранного электрического мотора для моделей Tesla составляет 240 килограмм. В основном используется одна модификация двигателей.