Macchina elettrica Nicola Tesla

I motori elettrici sono molto più efficienti dei motori a combustione interna. Perché e quando

La verità fondamentale è che i problemi dei veicoli elettrici sono legati alla fonte di energia, ma possono essere visti da una prospettiva diversa. Come molte cose nella vita che diamo per scontate, il motore elettrico e il sistema di controllo nei veicoli elettrici sono considerati il ​​dispositivo più efficiente e affidabile in questi veicoli. Tuttavia, per raggiungere questo stato di cose, hanno fatto molta strada nell'evoluzione: dalla scoperta della connessione tra elettricità e magnetismo alla sua effettiva trasformazione in una forza meccanica. Questo argomento è spesso sottovalutato quando si parla dello sviluppo tecnologico del motore a combustione interna, ma diventa sempre più necessario parlare di più della macchina chiamata motore elettrico.

Uno o due motori

Se osservi il grafico delle prestazioni di un motore elettrico, indipendentemente dal suo tipo, noterai che è efficiente oltre l'85 percento, spesso oltre il 90 percento, e che è al massimo dell'efficienza con un carico di circa il 75 percento. massimo. Con l'aumentare della potenza e delle dimensioni del motore elettrico, la gamma di efficienza si espande di conseguenza, dove può raggiungere il suo massimo anche prima, a volte con un carico del 20 percento. Tuttavia, c'è un altro lato della medaglia: nonostante la gamma estesa di maggiore efficienza, l'uso di motori molto potenti con un carico molto basso può ancora una volta portare a frequenti ingressi nella zona di bassa efficienza. Pertanto, le decisioni relative a dimensioni, potenza, numero (uno o due) e utilizzo (uno o due a seconda del carico) dei motori elettrici sono processi che fanno parte del lavoro di progettazione nella costruzione di un'auto. In questo contesto è comprensibile perché sia ​​meglio avere due motori invece di uno molto potente, sia per non entrare spesso in zone a bassa efficienza, sia per la possibilità di spegnerlo a bassi carichi. Pertanto, a carico parziale, ad esempio, nella Tesla Model 3 Performance, viene utilizzato solo il motore posteriore. Nelle versioni meno potenti è l'unico, e nelle versioni più dinamiche l'asincrono è collegato all'asse anteriore. Questo è un altro vantaggio dei veicoli elettrici: la potenza può essere aumentata più facilmente, le modalità vengono utilizzate in base ai requisiti di efficienza e i doppi propulsori sono un utile effetto collaterale. Tuttavia, la minore efficienza a basso carico non impedisce il fatto che, a differenza di un motore a combustione interna, un motore elettrico genera spinta a velocità zero a causa del suo principio di funzionamento fondamentalmente diverso e dell'interazione tra campi magnetici anche in tali condizioni. Il suddetto fatto dell'efficienza è al centro della progettazione del motore e delle modalità operative: come abbiamo detto, un motore sovradimensionato che funziona continuamente a basso carico sarebbe inefficiente.

Con il rapido sviluppo della mobilità elettrica, la diversità in termini di produzione di motori si sta espandendo. Si stanno sviluppando sempre più accordi e accordi, in base ai quali alcuni produttori come BMW e VW progettano e producono le proprie auto, altri acquistano quote di società legate a questa attività e altri ancora esternalizzano a fornitori come Bosch. Nella maggior parte dei casi, se leggi le specifiche di un modello alimentato elettricamente, scoprirai che il suo motore è "AC sincrono a magneti permanenti". Tuttavia, il pioniere Tesla utilizza altre soluzioni in questa direzione: motori asincroni in tutti i modelli precedenti e una combinazione di asincroni e cosiddetti. “Motore a commutazione di resistenza come trasmissione dell'assale posteriore nel modello 3 Performance. Nelle versioni più economiche con sola trazione posteriore è l'unica. Audi utilizza anche motori a induzione per il modello q-tron e una combinazione di motori sincroni e asincroni per l'imminente e-tron Q4. Di cosa si tratta veramente?

Macchina elettrica Nicola Tesla

Il fatto che Nikola Tesla abbia inventato il motore elettrico asincrono o, in altre parole, il motore elettrico "asincrono" (alla fine del XIX secolo) non ha alcun collegamento diretto con il fatto che i modelli Tesla Motors siano una delle poche auto alimentate da una macchina del genere . ... In effetti, il principio di funzionamento del motore Tesla divenne più popolare negli anni '19, quando i dispositivi a semiconduttore stavano gradualmente emergendo sotto il sole e l'ingegnere americano Alan Coconi sviluppò inverter portatili a semiconduttore in grado di convertire le batterie a corrente continua (DC) in corrente alternata (AC ) come richiesto per un motore a induzione, e viceversa (in fase di recupero). Questa combinazione di un inverter (noto anche come transverter ingegneristico) e un motore elettrico sviluppato da Coconi è diventata la base per il famigerato GM EV60 e, in una forma più raffinata, lo sportivo tZERO. Per analogia con la ricerca di ingegneri giapponesi da Toyota durante la creazione della Prius e la scoperta del brevetto TRW, i creatori di Tesla hanno scoperto l'auto tZERO. Alla fine, acquistarono una licenza tZero e la usarono per costruire una roadster.
Il più grande vantaggio di un motore a induzione è che non utilizza magneti permanenti e non ha bisogno di metalli costosi o rari, che vengono spesso estratti in condizioni che creano dilemmi morali per i consumatori. Tuttavia, sia i motori sincroni a magneti asincroni che quelli permanenti sfruttano appieno i progressi tecnologici nei dispositivi a semiconduttore, nonché nella creazione di MOSFET con transistor ad effetto di campo e transistor successivi con isolamento bipolare (IGBT). È questo progresso che ci consente di creare i suddetti dispositivi di inverter compatti e, in generale, tutta l'elettronica di potenza nei veicoli elettrici. Il fatto che la capacità di convertire in modo efficiente le batterie DC in variabili trifase e viceversa sia in gran parte dovuto ai progressi della tecnologia di controllo può sembrare banale, ma tenere presente che la corrente nell'elettronica di potenza raggiunge livelli molte volte più alti del solito in casa rete elettrica e spesso i valori superano i 150 ampere. Questo genera una grande quantità di calore che l'elettronica di potenza deve affrontare.

Ma torniamo al problema dei motori elettrici. Come i motori a combustione interna, possono essere suddivisi in vari parametri di qualificazione e la "sincronizzazione" è uno di questi. In realtà, questa è una conseguenza di un altro approccio costruttivo molto più importante in termini di generazione e interazione dei campi magnetici. Nonostante il fatto che la fonte di elettricità di fronte alla batteria sia la corrente continua, i progettisti di sistemi elettrici non pensano nemmeno all'utilizzo di motori a corrente continua. Anche tenendo conto delle perdite di conversione, le unità AC e soprattutto le unità sincrone vincono la concorrenza con gli elementi DC. Cosa significa veramente un motore sincrono o asincrono?

Azienda automobilistica

Entrambi i motori sincroni e asincroni appartengono al tipo di macchine elettriche con un campo magnetico rotante, che hanno una maggiore densità di potenza. In generale, un rotore asincrono è costituito da un semplice pacchetto di fogli solidi, barre metalliche di alluminio o rame (sempre più spesso utilizzate di recente) con bobine in un circuito chiuso. La corrente scorre negli avvolgimenti dello statore in coppie opposte e la corrente di una delle tre fasi scorre in ciascuna coppia. Poiché in ciascuno di essi è sfasato di 120 gradi rispetto all'altro, il cosiddetto campo magnetico rotante. L'intersezione degli avvolgimenti del rotore con le linee del campo magnetico dal campo creato dallo statore porta al flusso di corrente nel rotore, simile all'interazione sul trasformatore.
Il campo magnetico risultante interagisce con la "rotazione" nello statore, che porta alla cattura meccanica del rotore e alla successiva rotazione. Tuttavia, con questo tipo di motore elettrico, il rotore è sempre in ritardo rispetto al campo, poiché se non vi è alcun movimento relativo tra il campo e il rotore, il campo magnetico non verrà indotto nel rotore. Pertanto, il livello di velocità massima è determinato dalla frequenza della corrente di alimentazione e dal carico. Tuttavia, a causa della maggiore efficienza dei motori sincroni, la maggior parte dei produttori li aderisce, ma per alcune delle ragioni sopra esposte, Tesla rimane un sostenitore dell'asincrono.

Sì, queste macchine sono più economiche, ma hanno i loro lati negativi e tutte le persone che hanno testato più accelerazioni successive con la Model S ti diranno come le prestazioni diminuiscono drasticamente a ogni iterazione. I processi di induzione e il flusso di corrente portano al riscaldamento e quando la macchina non viene raffreddata sotto carico elevato, il calore si accumula e le sue capacità si riducono notevolmente. A scopo di protezione, l'elettronica riduce la quantità di corrente e le prestazioni di accelerazione vengono degradate. E ancora una cosa - per essere utilizzato come generatore, il motore a induzione deve essere magnetizzato - cioè "far passare" la corrente iniziale attraverso lo statore, che genera il campo e la corrente nel rotore per avviare il processo. Quindi può nutrirsi da solo.

Motori asincroni o sincroni

I blocchi sincroni hanno un'efficienza e una densità di potenza significativamente più elevate. Una differenza significativa tra un motore a induzione è che il campo magnetico nel rotore non è indotto dall'interazione con lo statore, ma è il risultato della corrente che scorre attraverso gli avvolgimenti aggiuntivi installati in esso, o magneti permanenti. Pertanto, il campo nel rotore e il campo nello statore sono sincroni, ma la velocità massima del motore dipende anche dalla rotazione del campo, rispettivamente, dalla frequenza e dal carico correnti. Al fine di evitare la necessità di un'alimentazione aggiuntiva agli avvolgimenti, che aumenta il consumo di energia e complica il controllo della corrente, i moderni veicoli elettrici e i modelli ibridi utilizzano motori elettrici con la cosiddetta eccitazione costante, ad es. con magneti permanenti. Come già accennato, quasi tutti i produttori di tali auto utilizzano attualmente unità di questo tipo, quindi, secondo molti esperti, ci sarà ancora un problema con la mancanza di costosi elementi di terre rare di neodimio e disprosio. Ridurre il loro utilizzo fa parte della domanda degli ingegneri in questo settore.

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Il design del nucleo del rotore offre il massimo potenziale per aumentare le prestazioni di una macchina elettrica.
Diverse sono le soluzioni tecnologiche con magneti a superficie, rotore discoidale, con magneti incorporati internamente. Interessante qui è la soluzione di Tesla, che utilizza la suddetta tecnologia chiamata Switched Reluctance Motor per guidare l'asse posteriore della Model 3. "Riluttanza", o resistenza magnetica, è un termine opposto alla conducibilità magnetica, simile alla resistenza elettrica e alla conducibilità elettrica dei materiali. I motori di questo tipo sfruttano il fenomeno per cui il flusso magnetico tende a passare attraverso la parte del materiale con minore resistenza magnetica. Di conseguenza, sposta fisicamente il materiale che sta attraversando per passare attraverso la parte con la minor resistenza. Questo effetto viene utilizzato in un motore elettrico per creare un movimento rotatorio - per questo, nel rotore si alternano materiali con diversa resistenza magnetica: duro (sotto forma di dischi di ferrite al neodimio) e morbido (dischi di acciaio). Nel tentativo di passare attraverso materiale a resistenza inferiore, il flusso magnetico dallo statore fa ruotare il rotore fino a quando non è posizionato per farlo. Con il controllo della corrente, il campo ruota costantemente il rotore in una posizione comoda. Cioè, la rotazione non è avviata a tal punto dall'interazione dei campi magnetici quanto dalla tendenza del campo a fluire attraverso il materiale con la minore resistenza e dall'effetto risultante della rotazione del rotore. Alternando materiali diversi, si riduce il numero di componenti costosi.

A seconda del design, la curva di efficienza e la coppia cambiano con la velocità del motore. Inizialmente, il motore a induzione ha l'efficienza più bassa e quella più alta ha magneti di superficie, ma in quest'ultima diminuisce bruscamente con la velocità. Il motore della BMW i3 ha un carattere ibrido unico, grazie a un design che combina i magneti permanenti e l'effetto "riluttanza" sopra descritto. In questo modo il motore elettrico raggiunge gli alti livelli di potenza e coppia costanti che sono caratteristici delle macchine con rotore eccitato elettricamente, ma ha un peso significativamente inferiore rispetto a loro (questi ultimi sono efficienti sotto molti aspetti, ma non in termini di peso). Dopo tutto questo, è chiaro che l'efficienza sta diminuendo alle alte velocità, motivo per cui sempre più produttori affermano che si concentreranno sulle trasmissioni a due velocità per i motori elettrici.

Domande e risposte:

Quali motori utilizza Tesla? Tutti i modelli Tesla sono veicoli elettrici, quindi sono dotati esclusivamente di motori elettrici. Quasi tutti i modelli avranno un motore a induzione CA trifase sotto il cofano.

Come funziona un motore Tesla? Un motore elettrico asincrono funziona a causa del verificarsi di un EMF dovuto alla rotazione in uno statore stazionario di un campo magnetico. La corsa inversa è fornita dall'inversione di polarità sulle bobine di avviamento.

Dove si trova il motore Tesla? Le auto Tesla sono a trazione posteriore. Pertanto, il motore si trova tra i semiassi posteriori. Il motore è costituito da un rotore e uno statore, che si contattano solo tramite cuscinetti.

Quanto pesa un motore Tesla? Il peso del motore elettrico assemblato per i modelli Tesla è di 240 chilogrammi. Fondamentalmente viene utilizzata una modifica del motore.