מכונית חשמלית ניקולה טסלה

מנועים חשמליים יעילים הרבה יותר ממנועי בעירה פנימית. למה ומתי

האמת הבסיסית היא שהבעיות של כלי רכב חשמליים קשורות למקור האנרגיה, אבל אפשר לראות אותן מנקודת מבט אחרת. כמו הרבה דברים בחיים שאנו לוקחים כמובן מאליו, המנוע החשמלי ומערכת הבקרה ברכבים חשמליים נחשבים למכשיר היעיל והאמין ביותר בכלי רכב אלו. אולם כדי להגיע למצב עניינים זה הם עברו דרך ארוכה באבולוציה – מגילוי הקשר בין חשמל ומגנטיות ועד להפיכתו האפקטיבית לכוח מכני. לעתים קרובות מזלזלים בנושא זה בהקשר של דיבורים על ההתפתחות הטכנולוגית של מנוע הבעירה הפנימית, אך הולך ונהיה צורך לדבר יותר על המכונה הנקראת מנוע חשמלי.

מנוע אחד או שניים

אם תסתכלו על גרף הביצועים של מנוע חשמלי, ללא קשר לסוגו, תבחינו כי הוא יעיל ביותר מ-85 אחוז, לרוב מעל 90 אחוז, וכי הוא ביעילות הגבוהה ביותר בסביבות ה-75 אחוז עומס. מַקסִימוּם. ככל שההספק והגודל של המנוע החשמלי גדלים, טווח היעילות מתרחב בהתאם, שם הוא יכול להגיע למקסימום אפילו מוקדם יותר – לפעמים בעומס של 20 אחוז. עם זאת, יש צד נוסף למטבע - למרות הטווח המורחב של יעילות גבוהה יותר, השימוש במנועים חזקים מאוד עם עומס נמוך מאוד עלול להוביל שוב לכניסה תכופה לאזור היעילות הנמוכה. לכן, החלטות לגבי גודל, הספק, מספר (אחד או שניים) ושימוש (אחד או שניים בהתאם לעומס) במנועים חשמליים הם תהליכים שהם חלק מעבודת התכנון בבניית מכונית. בהקשר זה מובן מדוע עדיף שני מנועים במקום חזק מאוד, כלומר כדי שלא ייכנס לעיתים קרובות לאזורים בעלי יעילות נמוכה, ובגלל האפשרות לכבות אותו בעומסים נמוכים. לכן, בעומס חלקי, למשל, ב-Tesla Model 3 Performance, משתמשים רק במנוע האחורי. בגרסאות פחות חזקות היא היחידה, ובגרסאות דינמיות יותר האסינכרונית מחוברת לסרן הקדמי. זהו יתרון נוסף של כלי רכב חשמליים - ניתן להגדיל את ההספק ביתר קלות, משתמשים במצבים בהתאם לדרישות היעילות, ומערכות הנעה כפולות הן תופעת לוואי שימושית. עם זאת, היעילות הנמוכה יותר בעומס נמוך אינה מונעת את העובדה שבניגוד למנוע בעירה פנימית, מנוע חשמלי מייצר דחף במהירות אפס בשל עקרון הפעולה והאינטראקציה בין השדות המגנטיים השונה מהותית שלו גם בתנאים כאלה. עובדת היעילות הנזכרת לעיל היא בלב תכנון המנוע ומצבי הפעולה - כפי שאמרנו, מנוע גדול ממדים הפועל ברציפות בעומס נמוך יהיה לא יעיל.

עם ההתפתחות המהירה של ניידות חשמלית, המגוון במונחים של ייצור מנוע מתרחב. יותר ויותר הסכמים והסדרים מפותחים, לפיהם חלק מהיצרניות כמו BMW ו-VW מתכננות ומייצרות את המכוניות שלהן, אחרות רוכשות מניות בחברות הקשורות לעסק הזה, ואחרות מיקור חוץ לספקים כמו בוש. ברוב המקרים, אם תקראו את המפרט של דגם המופעל באמצעות חשמל, תגלו שהמנוע שלו הוא "מגנט קבוע AC סינכרוני". עם זאת, חלוץ טסלה משתמש בפתרונות אחרים בכיוון זה - מנועים אסינכרוניים בכל הדגמים הקודמים ושילוב של אסינכרוני ומה שנקרא. "מנוע החלפת התנגדות כהנעת סרן אחורי בדגם 3 Performance. בגרסאות זולות יותר עם הנעה אחורית בלבד, היא היחידה. אאודי משתמשת גם במנועי אינדוקציה לדגם ה-q-tron ובשילוב של מנועים סינכרוניים וא-סינכרוניים עבור ה-e-tron Q4 הקרוב. על מה זה בעצם?

מכונית חשמלית ניקולה טסלה

לעובדה שניקולה טסלה המציאה את המנוע החשמלי האסינכרוני או, במילים אחרות, את המנוע "האסינכרוני" (בסוף המאה ה -19) אין קשר ישיר לעובדה שדגמי טסלה מוטורס הם אחת המכוניות הבודדות המונעות על ידי מכונה כזו. ... למעשה, עקרון הפעולה של מנוע טסלה הפך פופולרי יותר בשנות ה -60, כאשר התקדמו בהדרגה התקני מוליכים למחצה מתחת לשמש, והמהנדס האמריקאי אלן קוקוני פיתח ממירים מוליכים למחצה ניידים שיכולים להפוך סוללות זרם ישר (DC) לזרם חילופין (AC ) כנדרש עבור מנוע אינדוקציה, ולהיפך (בתהליך ההתאוששות). שילוב זה של מהפך (המכונה גם ממיר הנדסי) ומנוע חשמלי שפותח על ידי קוקוני הפך להיות הבסיס ל- GM EV1 הידוע לשמצה ובצורה מעודנת יותר ל- tZERO הספורטיבי. בדומה לחיפוש אחר מהנדסים יפנים מטויוטה בתהליך יצירת הפריוס ופתיחת פטנט TRW, גילו יוצרי טסלה את מכונית tZERO. בסופו של דבר, הם קנו רישיון tZero והשתמשו בו לבניית רודסטר.
היתרון הגדול ביותר של מנוע אינדוקציה הוא שהוא אינו משתמש במגנטים קבועים ואינו זקוק למתכות יקרות או נדירות, אשר ממוקשות לעתים קרובות בתנאים שיוצרים דילמות מוסריות עבור הצרכנים. עם זאת, מנועים סינכרוניים מגנטיים אסינכרוניים ומגנטיים קבועים מנצלים עד תום את ההתקדמות הטכנולוגית בהתקני מוליכים למחצה, כמו גם ביצירת MOSFET עם טרנזיסטורי אפקט שדה וטרנזיסטורי בידוד דו קוטביים מאוחר יותר (IGBT). התקדמות זו היא המאפשרת ליצור את התקני המהפך הקומפקטיים המוזכרים ובאופן כללי את כל אלקטרוניקת הכוח ברכבים חשמליים. זה אולי נראה טריוויאלי שהיכולת להמיר ביעילות DC לסוללות AC תלת פאזיות ולהיפך נובעת בעיקר מהתקדמות טכנולוגית הבקרה, אך יש לזכור שהזרם באלקטרוניקה הספציפית מגיע לרמות גבוהות פי כמה מהמקובל במשק הבית. רשת חשמל, ולעתים קרובות הערכים עולים על 150 אמפר. זה מייצר כמות גדולה של חום שעליו על אלקטרוניקת החשמל להתמודד.

אבל נחזור לנושא המנועים החשמליים. כמו מנועי בעירה פנימית, ניתן לסווג אותם לכישורים שונים, ו"תזמון "הוא אחד מהם. למעשה, זו תוצאה של גישה קונסטרוקטיבית שונה וחשובה הרבה יותר מבחינת יצירת האינטראקציה של שדות מגנטיים. למרות העובדה שמקור החשמל אצל הסוללה הוא זרם ישר, מעצבי מערכות החשמל אפילו לא חושבים להשתמש במנועי DC. אפילו אם לוקחים בחשבון הפסדי המרה, יחידות AC ויחידות סינכרוניות במיוחד עולות על התחרות עם אלמנטים של DC. אז מה בעצם אומר מנוע סינכרוני או אסינכרוני?

חברת מכוניות חשמליות

מנועים סינכרוניים ואסינכרוניים הן מסוג המכונות החשמליות של שדה מגנטי מסתובב בעלות צפיפות הספק גבוהה יותר. באופן כללי, רוטור אינדוקציה מורכב מערימה פשוטה של ​​יריעות מוצקות, מוטות מתכת עשויים אלומיניום או נחושת (המשמשים יותר ויותר בתקופה האחרונה) עם סלילים בלולאה סגורה. זרם זורם בסטלציה מתפתלת בזוגות מנוגדים, כאשר זרם מאחד משלושת השלבים זורם בכל זוג. מכיוון שבכל אחד מהם הוא מוסט בשלב 120 מעלות ביחס לשני, מה שנקרא השדה המגנטי המסתובב. החיתוך של פיתולי הרוטור עם קווי השדה המגנטי מהשדה שנוצר על ידי הסטטור מוביל לזרימת הזרם ברוטור, בדומה לאינטראקציה על שנאי.
השדה המגנטי שנוצר מתקשר עם ה"סיבוב "בסטטור, מה שמוביל לאחיזה מכנית של הרוטור ולסיבוב שלאחר מכן. עם זאת, בסוג זה של מנוע חשמלי, הרוטור תמיד משתרך מאחורי השדה, מכיוון שאם אין תנועה יחסית בין השדה לרוטור, לא ייגרם שום שדה מגנטי ברוטור. לפיכך, רמת המהירות המקסימלית נקבעת על ידי תדירות זרם האספקה ​​והעומס. עם זאת, בשל היעילות הגבוהה יותר של מנועים סינכרוניים, רוב היצרנים נצמדים אליהם, אך מסיבות מסוימות לעיל, טסלה נותרה תומכת במנועים אסינכרוניים.

כן, המכונות האלה זולות יותר, אבל יש להן את החסרונות שלהן, וכל האנשים שבחנו מספר תאוצות עוקבות עם Model S יגידו לך איך הביצועים יורדים בצורה דרסטית עם כל איטרציה. תהליכי האינדוקציה וזרימת הזרם מובילים לחימום, וכאשר המכונה אינה מקוררת בעומס גבוה, חום מצטבר ויכולותיה מופחתות באופן משמעותי. למטרות הגנה, האלקטרוניקה מפחיתה את כמות הזרם וביצועי התאוצה יורדים. ועוד דבר - כדי לשמש כגנרטור, יש למגנט את מנוע האינדוקציה - כלומר "לעביר" את הזרם ההתחלתי דרך הסטטור, שיוצר את השדה והזרם ברוטור כדי להתחיל את התהליך. אז הוא יכול להאכיל את עצמו.

מנועים אסינכרוניים או סינכרוניים

ליחידות סינכרוניות יש יעילות וצפיפות הספק גבוהים משמעותית. הבדל משמעותי בין מנוע אינדוקציה הוא שהשדה המגנטי ברוטור אינו נגרם על ידי אינטראקציה עם הסטטור, אלא הוא תוצאה של הזרם הזורם דרך הפיתולים הנוספים המותקנים בו, או מגנטים קבועים. לפיכך, השדה ברוטור והשדה בסטטור הם סינכרוניים, אך מהירות המנוע המקסימלית תלויה גם בסיבוב השדה, בהתאמה בתדר הנוכחי ובעומס. כדי למנוע צורך באספקת חשמל נוספת לפיתולים, המגדילה את צריכת החשמל ומסבכת את בקרת הזרם, משתמשים במנועים חשמליים עם מה שמכונה עירור קבוע ברכבים חשמליים מודרניים ובדגמים היברידיים. עם מגנטים קבועים. כפי שכבר צוין, כמעט כל יצרני הרכבים הללו משתמשים כיום ביחידות מסוג זה, ולכן, לדעת מומחים רבים, עדיין תהיה בעיה עם מחסור בנאודימיום ובדיספרוסיום של אדמות נדירות יקרות. צמצום השימוש בהם הוא חלק מהביקוש מצד המהנדסים בתחום זה.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

תכנון ליבת הרוטור מציע את הפוטנציאל הגדול ביותר לשיפור ביצועיה של מכונה חשמלית.
ישנם פתרונות טכנולוגיים שונים עם מגנטים על פני השטח, רוטור בצורת דיסק, עם מגנטים מובנים פנימית. מעניין כאן הוא הפתרון של טסלה, שמשתמש בטכנולוגיה הנ"ל הנקראת Switched Reluctance Motor כדי להניע את הסרן האחורי של הדגם 3. "רתיעה", או התנגדות מגנטית, היא מונח מנוגד למוליכות מגנטית, בדומה להתנגדות חשמלית ולמוליכות חשמלית של חומרים. מנועים מסוג זה משתמשים בתופעה ששטף מגנטי נוטה לעבור בחלק החומר בעל ההתנגדות המגנטית הנמוכה ביותר. כתוצאה מכך, הוא עוקר פיזית את החומר שהוא זורם דרכו על מנת לעבור דרך החלק בעל ההתנגדות הנמוכה ביותר. אפקט זה משמש במנוע חשמלי ליצירת תנועה סיבובית - לשם כך מתחלפים ברוטור חומרים בעלי התנגדות מגנטית שונה: קשים (בצורת דיסקיות פריט ניאודימיום) ורכים (דסקיות פלדה). בניסיון לעבור דרך חומר התנגדות נמוכה יותר, השטף המגנטי מהסטטור מסובב את הרוטור עד שהוא מוצב לעשות זאת. עם בקרת זרם, השדה מסובב כל הזמן את הרוטור במצב נוח. כלומר, הסיבוב אינו יזום במידה כזו על ידי האינטראקציה של השדות המגנטיים כמו הנטייה של השדה לזרום דרך החומר עם ההתנגדות הנמוכה ביותר וההשפעה הנובעת מכך של סיבוב הרוטור. על ידי חילופי חומרים שונים, מספר הרכיבים היקרים מצטמצם.

בהתאם לתכנון, עקומת היעילות והמומנט משתנים עם מהירות המנוע. בתחילה, למנוע האינדוקציה יש את היעילות הנמוכה ביותר, ולגבוהה יש מגנטים משטחים, אך באחרון הוא יורד בחדות עם המהירות. למנוע ב.מ.וו i3 אופי היברידי ייחודי, הודות לעיצוב המשלב מגנטים קבועים ואפקט ה"רתיעה" שתואר לעיל. כך, המנוע החשמלי משיג את הרמות הגבוהות של הספק ומומנט קבועים האופייניים למכונות בעלות רוטור מעורר חשמלי, אך משקלן נמוך משמעותית מהן (האחרונות יעילות בהרבה בחינות, אך לא מבחינת משקל). אחרי כל זה, ברור שהיעילות הולכת ופוחתת במהירויות גבוהות, וזו הסיבה שיותר ויותר יצרנים אומרים שיתמקדו בתמסורות דו-הילוכים למנועים חשמליים.

שאלות ותשובות:

באילו מנועים טסלה משתמשת? כל דגמי טסלה הם רכבים חשמליים, ולכן הם מצוידים אך ורק במנועים חשמליים. כמעט לכל דגם יהיה מנוע אינדוקציה AC תלת פאזי מתחת למכסה המנוע.

איך מנוע טסלה עובד? מנוע חשמלי אסינכרוני פועל עקב התרחשות של EMF עקב סיבוב בסטטור נייח של שדה מגנטי. נסיעה לאחור מסופקת על ידי היפוך קוטביות על סלילי המתנע.

היכן ממוקם מנוע טסלה? מכוניות טסלה הן הנעה אחורית. לכן, המנוע ממוקם בין פירי הציר האחורי. המנוע מורכב מרוטור וסטטור, אשר רק יוצרים קשר זה עם זה באמצעות מיסבים.

כמה שוקל מנוע טסלה? משקל המנוע החשמלי שהורכב לדגמי טסלה הוא 240 קילוגרם. בעצם נעשה שימוש בשינוי מנוע אחד.