Nikola Tesla sähköauto

Sähkömoottorit ovat paljon tehokkaampia kuin polttomoottorit. Miksi ja milloin

Perustotuus on, että sähköajoneuvojen ongelmat liittyvät energialähteeseen, mutta niitä voidaan tarkastella eri näkökulmasta. Kuten monet asiat elämässä, joita pidämme itsestäänselvyytenä, sähköajoneuvojen sähkömoottoria ja ohjausjärjestelmää pidetään tehokkaimpana ja luotettavimpana laitteena näissä ajoneuvoissa. Kuitenkin saavuttaakseen tämän tilan he ovat kulkeneet pitkän tien evoluutiossa - sähkön ja magnetismin välisen yhteyden löytämisestä sen tehokkaaseen muuttamiseen mekaaniseksi voimaksi. Tämä aihe on usein aliarvioitu, kun puhutaan polttomoottorin teknologisesta kehityksestä, mutta on yhä tarpeellisempaa puhua enemmän sähkömoottoriksi kutsutusta koneesta.

Yksi tai kaksi moottoria

Jos katsot sähkömoottorin suorituskykykaaviota sen tyypistä riippumatta, huomaat, että sen teho on yli 85 prosenttia, usein yli 90 prosenttia, ja että se on tehokkaimmillaan noin 75 prosentin kuormituksella. enimmäismäärä. Sähkömoottorin tehon ja koon kasvaessa hyötysuhde laajenee vastaavasti, missä se voi saavuttaa maksiminsa jopa aikaisemmin - joskus 20 prosentin kuormituksella. Kolikolla on kuitenkin toinenkin puoli - suuren hyötysuhteen laajennetusta alueesta huolimatta erittäin tehokkaiden moottoreiden käyttö erittäin alhaisella kuormituksella voi jälleen johtaa usein matalan hyötysuhteen alueelle. Siksi päätökset sähkömoottoreiden koosta, tehosta, lukumäärästä (yksi tai kaksi) ja käytöstä (kuormasta riippuen yksi tai kaksi) ovat prosesseja, jotka ovat osa suunnittelutyötä auton rakentamisessa. Tässä yhteydessä on ymmärrettävää, miksi on parempi olla kaksi moottoria erittäin tehokkaan moottorin sijaan, jotta se ei usein joutuisi alhaisen hyötysuhteen alueille, ja koska se on mahdollista sammuttaa pienillä kuormilla. Siksi osittaisella kuormituksella, esimerkiksi Tesla Model 3 Performancessa, käytetään vain takamoottoria. Vähemmän tehokkaissa versioissa se on ainoa, ja dynaamisissa versioissa asynkroninen on kytketty etuakseliin. Tämä on toinen sähköajoneuvojen etu - tehoa voidaan lisätä helpommin, tiloja käytetään tehokkuusvaatimuksista riippuen, ja kaksoisvoimansiirrot ovat hyödyllinen sivuvaikutus. Alempi hyötysuhde pienellä kuormituksella ei kuitenkaan estä sitä, että toisin kuin polttomoottori, sähkömoottori synnyttää työntövoimaa nollanopeudella johtuen sen oleellisesti erilaisesta toimintaperiaatteesta ja magneettikenttien välisestä vuorovaikutuksesta tällaisissakin olosuhteissa. Edellä mainittu hyötysuhde on moottorin suunnittelun ja toimintatapojen ytimessä - kuten olemme todenneet, ylimitoitettu moottori, joka käy jatkuvasti alhaisella kuormituksella, olisi tehoton.

Sähköisen liikkuvuuden nopean kehityksen myötä moottorituotannon monimuotoisuus laajenee. Yhä enemmän kehitetään sopimuksia ja järjestelyjä, joissa osa valmistajista, kuten BMW ja VW, suunnittelee ja valmistaa omia autojaan, toiset ostavat osakkeita tähän liiketoimintaan liittyvistä yrityksistä ja toiset ulkoistavat tavarantoimittajille, kuten Boschille. Useimmissa tapauksissa, jos luet sähkökäyttöisen mallin tekniset tiedot, huomaat, että sen moottori on "AC-kestomagneettisynkroninen". Teslan edelläkävijä käyttää kuitenkin muita ratkaisuja tähän suuntaan - asynkronisia moottoreita kaikissa aikaisemmissa malleissa ja yhdistelmää asynkronisia ja ns. "Vastauskytkinmoottori taka-akselin vetona 3 Performance -mallissa. Halvemmissa versioissa, joissa on vain takaveto, se on ainoa. Audi käyttää myös oikosulkumoottoreita q-tron-malliin ja synkronisten ja asynkronisten moottoreiden yhdistelmää tulevaan e-tron Q4:ään. Mistä oikein on kyse?

Nikola Tesla sähköauto

Sillä, että Nikola Tesla keksi asynkronisen tai toisin sanoen "asynkronisen" sähkömoottorin (19 -luvun lopulla), ei ole suoraa yhteyttä siihen, että Tesla Motors -mallit ovat yksi harvoista tällaisella koneella toimivista autoista ... ... Itse asiassa Tesla -moottorin toimintaperiaate tuli suositummaksi 60 -luvulla, kun puolijohdelaitteet nousivat vähitellen auringon alle, ja amerikkalainen insinööri Alan Coconi kehitti kannettavia puolijohde -inverttereitä, jotka voivat muuttaa tasavirtaparistot vaihtovirtaksi (AC) ) kuten induktiomoottorille ja päinvastoin (toipumisprosessissa). Tämä yhdistelmä invertteriä (tunnetaan myös nimellä insinöörimuunnin) ja Coconin kehittämä sähkömoottori muodostivat perustan pahamaineiselle GM EV1: lle ja hienostuneemmalla tavalla urheilulliselle tZERO: lle. Teslan luojat löysivät tZERO -auton analogisesti japanilaisten insinöörien haun kanssa Toyotalta Priuksen luomisen ja TRW -patentin löytämisen aikana. Lopulta he ostivat tZero -lisenssin ja käyttivät sitä roadsterin rakentamiseen.
Induktorimoottorin suurin etu on, että se ei käytä kestomagneetteja eikä tarvitse kalliita tai harvinaisia ​​metalleja, jotka louhitaan usein myös olosuhteissa, jotka luovat moraalisia ongelmia kuluttajille. Sekä asynkroniset että kestomagneettisynkroniset moottorit hyödyntävät kuitenkin täysimääräisesti tekniikan kehitystä puolijohdelaitteissa, samoin kuin luomalla MOSFET-laitteita, joilla on kenttäefektitransistori ja myöhemmin bipolaariset eristystransistorit (IGBT). Juuri tämä edistys mahdollistaa mainittujen kompakti-invertterilaitteiden ja yleensä kaiken tehoelektroniikan luomisen sähköajoneuvoissa. Voi tuntua triviaalia, että kyky tehokkaasti muuntaa tasavirta 150-vaiheiseksi vaihtovirtapariksi ja päinvastoin johtuu suurelta osin ohjaustekniikan edistyksestä, mutta on pidettävä mielessä, että tehoelektroniikan virta saavuttaa useita kertoja korkeamman tason kuin kotitalouksissa sähköverkossa, ja usein arvot ylittävät XNUMX ampeeria. Tämä tuottaa paljon lämpöä, jonka tehoelektroniikan on käsiteltävä.

Mutta takaisin sähkömoottoreihin. Kuten polttomoottorit, ne voidaan luokitella eri pätevyyteen, ja "ajoitus" on yksi niistä. Itse asiassa tämä on seurausta paljon tärkeämmästä rakentavasta lähestymistavasta magneettikentien muodostumisen ja vuorovaikutuksen kannalta. Huolimatta siitä, että akun ihmisen sähkönlähde on tasavirta, sähköjärjestelmien suunnittelijat eivät edes harkitse tasavirtamoottoreiden käyttöä. Vaikka muuntohäviöt otetaan huomioon, vaihtovirtayksiköt ja erityisesti synkroniset yksiköt ylittävät kilpailun tasavirtaelementeillä. Joten mitä synkroninen tai asynkroninen moottori oikeasti tarkoittaa?

Sähköautoyritys

Sekä synkroniset että asynkroniset moottorit ovat pyörivän magneettikentän sähkökoneita, joiden tehotiheys on suurempi. Induktioroottori koostuu yleensä yksinkertaisesta pinoista kiinteistä levyistä, alumiini- tai kuparimetallisista sauvoista (joita on käytetty yhä enemmän viime vuosina), joissa on kelat suljetussa silmukassa. Virta virtaa staattorikäämityksissä vastakkaisissa pareissa, kun molemmissa parissa virtaa yksi kolmesta vaiheesta. Koska kussakin niistä se siirtyy vaiheessa 120 astetta suhteessa toisiinsa, niin kutsuttu pyörivä magneettikenttä. Roottorin käämien ja staattorin luoman kentän magneettikentän linjojen leikkaus johtaa virran virtaukseen roottorissa, samanlainen kuin muuntajan vuorovaikutus.
Tuloksena oleva magneettikenttä on vuorovaikutuksessa staattorissa olevan "pyörivän" kanssa, mikä johtaa roottorin mekaaniseen tarttumiseen ja sitä seuraavaan pyörimiseen. Tämän tyyppisissä sähkömoottoreissa roottori jää kuitenkin aina kentän taakse, koska jos kentän ja roottorin välillä ei ole suhteellista liikettä, roottorissa ei indusoidu magneettikenttää. Siten enimmäisnopeustaso määräytyy syöttövirran taajuuden ja kuorman mukaan. Synkronisten moottorien suuremman hyötysuhteen vuoksi suurin osa valmistajista tarttuu niihin, mutta joistakin yllä mainituista syistä Tesla on edelleen asynkronisten moottorien puolustaja.

Kyllä, nämä koneet ovat halvempia, mutta niillä on huonot puolensa, ja kaikki ihmiset, jotka ovat testanneet useita peräkkäisiä kiihdytyksiä Model S:n kanssa, kertovat sinulle, kuinka suorituskyky laskee rajusti jokaisen iteroinnin yhteydessä. Induktioprosessit ja virran virtaus johtavat lämpenemiseen, ja kun konetta ei jäähdytetä suurella kuormituksella, lämpö kerääntyy ja sen ominaisuudet heikkenevät merkittävästi. Suojaussyistä elektroniikka vähentää virran määrää ja kiihdytysteho heikkenee. Ja vielä yksi asia - jotta sitä voidaan käyttää generaattorina, oikosulkumoottori on magnetisoitava - eli "johtamaan" alkuvirta staattorin läpi, joka synnyttää kentän ja virran roottoriin prosessin käynnistämiseksi. Sitten hän voi ruokkia itsensä.

Asynkroniset tai synkroniset moottorit

Synkronisilla yksiköillä on huomattavasti suurempi hyötysuhde ja tehotiheys. Merkittävä ero induktiomoottorin välillä on se, että roottorin magneettikenttä ei johdu vuorovaikutuksesta staattorin kanssa, vaan johtuu siihen asennettujen lisäkäämien tai kestomagneettien läpi kulkevasta virrasta. Siten roottorin kenttä ja staattorin kenttä ovat synkronisia, mutta moottorin suurin nopeus riippuu myös kentän pyörimisestä, vastaavasti virran taajuudesta ja kuormasta. Käämityksiin tarvittavan lisävirtalähteen välttämiseksi, mikä lisää virrankulutusta ja vaikeuttaa virranhallintaa, nykyaikaisissa sähköajoneuvoissa ja hybridi-malleissa käytetään ns. Vakioherätysmoottoria. kestomagneeteilla. Kuten jo mainittiin, melkein kaikki tällaisten ajoneuvojen valmistajat käyttävät tällä hetkellä tämän tyyppisiä yksiköitä, joten monien asiantuntijoiden mukaan kalliiden harvinaisten maametallien neodyymi- ja dysprosiumpulalla on edelleen ongelma. Niiden käytön vähentäminen on osa alan insinöörien vaatimusta.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Roottorin ytimen suunnittelu tarjoaa suurimman potentiaalin parantaa sähkökoneen suorituskykyä.
Tarjolla on erilaisia ​​teknologisia ratkaisuja pinta-asennetuilla magneeteilla, levymäisellä roottorilla, sisäänrakennetuilla magneeteilla. Mielenkiintoinen tässä on Teslan ratkaisu, joka käyttää edellä mainittua Switched Reluctance Motor -tekniikkaa Model 3:n taka-akselin ohjaamiseen. "Reluktanssi" tai magneettiresistanssi on termi, joka on päinvastainen magneettiselle johtavuudelle, samanlainen kuin materiaalien sähkövastus ja sähkönjohtavuus. Tämän tyyppisissä moottoreissa käytetään ilmiötä, että magneettivuo pyrkii kulkemaan sen materiaalin osan läpi, jolla on pienin magneettivastus. Tämän seurauksena se syrjäyttää fyysisesti materiaalin, jonka läpi se virtaa, kulkeakseen osan läpi pienimmällä vastuksella. Tätä vaikutusta käytetään sähkömoottorissa pyörivän liikkeen luomiseen - tätä varten materiaalit, joilla on erilainen magneettinen vastus, vuorottelevat roottorissa: kova (ferriittineodyymilevyjen muodossa) ja pehmeä (teräslevyt). Yritetään kulkea pienemmän vastuksen materiaalin läpi, staattorista tuleva magneettivuo pyörittää roottoria, kunnes se on asetettu tekemään niin. Virtaohjauksella kenttä pyörittää jatkuvasti roottoria mukavaan asentoon. Eli magneettikenttien vuorovaikutus ei käynnisty siinä määrin kuin kentän taipumus virrata materiaalin läpi pienimmällä vastuksella ja siitä johtuva roottorin pyörimisen vaikutus. Vuorottelemalla eri materiaaleja vähennetään kalliiden komponenttien määrää.

Rakenteesta riippuen hyötysuhdekäyrä ja vääntömomentti muuttuvat moottorin nopeuden mukaan. Aluksi oikosulkumoottorilla on alhaisin hyötysuhde ja korkeimmassa pintamagneetit, mutta jälkimmäisessä se laskee jyrkästi nopeuden myötä. BMW i3 -moottorilla on ainutlaatuinen hybridi luonne, kiitos suunnittelun, jossa yhdistyvät kestomagneetit ja yllä kuvattu "reluktanssi"-ilmiö. Näin sähkömoottori saavuttaa korkeat vakiotehon ja vääntömomentin tasot, jotka ovat tyypillisiä sähköisesti viritetyllä roottorilla varustetuille koneille, mutta niiden paino on huomattavasti pienempi (jälkimmäiset ovat tehokkaita monessa suhteessa, mutta eivät painon suhteen). Kaiken tämän jälkeen on selvää, että tehokkuus laskee suurilla nopeuksilla, minkä vuoksi yhä useammat valmistajat sanovat keskittyvänsä sähkömoottoreiden kaksinopeisiin vaihteistoihin.

Kysymyksiä ja vastauksia:

Mitä moottoreita Tesla käyttää? Kaikki Tesla-mallit ovat sähköajoneuvoja, joten ne on varustettu yksinomaan sähkömoottoreilla. Lähes kaikissa malleissa on 3-vaiheinen AC-oikosulkumoottori konepellin alla.

Miten Teslan moottori toimii? Asynkroninen sähkömoottori toimii EMF:n esiintymisen vuoksi, joka johtuu magneettikentän kiinteässä staattorissa pyörimisestä. Käänteinen liike saadaan aikaan käynnistyskäämien napaisuuden vaihdolla.

Missä Teslan moottori sijaitsee? Teslan autot ovat takavetoisia. Siksi moottori sijaitsee taka-akselin akselien välissä. Moottori koostuu roottorista ja staattorista, jotka koskettavat toisiaan vain laakereiden kautta.

Kuinka paljon Teslan moottori painaa? Tesla-malleihin kootun sähkömoottorin paino on 240 kiloa. Periaatteessa käytetään yhtä moottorimuutosta.