„Nikola Tesla“ elektromobilis

Elektriniai varikliai yra daug efektyvesni nei vidaus degimo varikliai. Kodėl ir kada

Pagrindinė tiesa ta, kad elektromobilių problemos yra susijusios su energijos šaltiniu, tačiau į jas galima pažvelgti ir iš kitos perspektyvos. Kaip ir daugelis dalykų gyvenime, kuriuos laikome savaime suprantamu dalyku, elektrinis variklis ir valdymo sistema elektromobiliuose laikomi efektyviausiu ir patikimiausiu prietaisu šiose transporto priemonėse. Tačiau norėdami pasiekti tokią padėtį, jie nuėjo ilgą evoliucijos kelią – nuo ​​elektros ir magnetizmo ryšio atradimo iki veiksmingo jos pavertimo mechanine jėga. Ši tema dažnai nuvertinama kalbant apie vidaus degimo variklio technologinę plėtrą, tačiau vis dažniau reikia kalbėti apie mašiną, vadinamą elektros varikliu.

Vienas ar du varikliai

Jei pažvelgsite į elektros variklio veikimo grafiką, neatsižvelgiant į jo tipą, pastebėsite, kad jo efektyvumas yra didesnis nei 85 proc., dažnai daugiau nei 90 proc., o efektyviausias jis veikia esant maždaug 75 proc. apkrovai. maksimalus. Didėjant elektros variklio galiai ir dydžiui, atitinkamai plečiasi naudingumo diapazonas, kur jis maksimumą gali pasiekti dar anksčiau – kartais esant 20 procentų apkrovai. Tačiau yra ir kita medalio pusė – nepaisant išplėsto didesnio efektyvumo diapazono, naudojant labai galingus variklius su labai maža apkrova vėl galima dažnai patekti į žemo efektyvumo zoną. Todėl sprendimai dėl elektros variklių dydžio, galios, skaičiaus (vienas ar du) ir naudojimo (vienas ar du, priklausomai nuo apkrovos) yra procesai, kurie yra automobilio konstrukcijos projektavimo darbų dalis. Šiame kontekste suprantama, kodėl geriau turėti du variklius, o ne labai galingą, būtent, kad jis dažnai nepatektų į žemo efektyvumo zonas, ir dėl galimybės jį išjungti esant mažoms apkrovoms. Todėl esant dalinei apkrovai, pavyzdžiui, „Tesla Model 3 Performance“, naudojamas tik galinis variklis. Mažiau galingose ​​versijose ji yra vienintelė, o dinamiškesnėse – asinchroninė jungiama prie priekinės ašies. Tai dar vienas elektromobilių privalumas – galia gali būti padidinta lengviau, režimai naudojami priklausomai nuo efektyvumo reikalavimų, o dvigubi jėgos agregatai yra naudingas šalutinis poveikis. Tačiau mažesnis efektyvumas esant mažai apkrovai netrukdo tam, kad, skirtingai nei vidaus degimo variklis, elektros variklis sukuria trauką nuliniu greičiu dėl iš esmės skirtingo veikimo principo ir magnetinių laukų sąveikos net ir tokiomis sąlygomis. Jau minėtas efektyvumo faktas yra variklio konstrukcijos ir darbo režimų pagrindas – kaip minėjome, per didelis variklis, nuolat dirbantis maža apkrova, būtų neefektyvus.

Sparčiai vystantis elektriniam mobilumui, didėja variklių gamybos įvairovė. Plėtojama vis daugiau sutarčių ir susitarimų, kai vieni gamintojai, tokie kaip BMW ir VW, patys kuria ir gamina automobilius, kiti perka su šiuo verslu susijusių įmonių akcijas, o treti perka užsakomąsias paslaugas tiekėjams, tokiems kaip Bosch. Daugeliu atvejų, jei perskaitysite elektra varomo modelio specifikacijas, pamatysite, kad jo variklis yra „sinchroninis nuolatinis magnetas“. Tačiau „Tesla“ pradininkas šia kryptimi naudoja kitus sprendimus – asinchroninius variklius visuose ankstesniuose modeliuose bei asinchroninių ir vadinamųjų derinį. Pasipriešinimo perjungimo variklis kaip galinės ašies pavara „3 Performance“ modelyje. Pigesnėse versijose tik su galinių ratų pavara ji yra vienintelė. „Audi“ taip pat naudoja indukcinius variklius „q-tron“ modeliui ir sinchroninių bei asinchroninių variklių derinį būsimam „e-tron Q4“. Apie ką iš tikrųjų kalbama?

„Nikola Tesla“ elektromobilis

Tai, kad Nikola Tesla išrado asinchroninį arba, kitaip tariant, „asinchroninį“ elektros variklį (dar XIX amžiaus pabaigoje), neturi tiesioginio ryšio su tuo, kad „Tesla Motors“ modeliai yra vienas iš nedaugelio automobilių, varomų tokia mašina. .... Tiesą sakant, „Tesla“ variklio veikimo principas išpopuliarėjo 19 -aisiais, kai po saule pamažu atsirado puslaidininkiniai įtaisai, o amerikiečių inžinierius Alanas Coconi sukūrė nešiojamus puslaidininkinius keitiklius, galinčius konvertuoti nuolatinės srovės (DC) baterijas į kintamąją srovę. ), kaip reikalaujama indukciniam varikliui, ir atvirkščiai (atkūrimo procese). Šis „Coconi“ sukurtas keitiklio (dar žinomo kaip inžinerinis keitiklis) ir elektros variklio derinys tapo liūdnai pagarsėjusio „GM EV60“ ir, rafinuotesnės formos, sportinio „tZERO“ pagrindu. Pagal analogiją su japonų inžinierių paieška iš „Toyota“ kuriant „Prius“ ir atradus TRW patentą, „Tesla“ kūrėjai atrado automobilį „tZERO“. Galų gale jie nusipirko „tZero“ licenciją ir panaudojo ją rodsteriui sukurti.
Didžiausias asinchroninio variklio privalumas yra tas, kad jis nenaudoja nuolatinių magnetų ir jam nereikia brangių ar retų metalų, kurie taip pat dažnai išgaunami tokiomis sąlygomis, kurios kelia vartotojams moralines dilemas. Tačiau tiek asinchroniniai, tiek nuolatinio magneto sinchroniniai varikliai visapusiškai naudojasi puslaidininkinių įtaisų technologine pažanga, taip pat kuriant MOSFET su lauko tranzistoriais ir vėliau bipoliniais izoliaciniais tranzistoriais (IGBT). Būtent ši pažanga leidžia sukurti minėtus kompaktiškus keitiklio įtaisus ir apskritai visą galios elektroniką elektrinėse transporto priemonėse. Gali atrodyti trivialu, kad galimybę efektyviai paversti nuolatinę įtampą į 150 fazes kintamąsias baterijas ir atvirkščiai daugiausia lemia pažanga valdymo technologijose, tačiau reikia nepamiršti, kad galios elektronikos srovė pasiekia daug kartų didesnę nei įprasta buityje elektros tinklą, o vertės dažnai viršija XNUMX amperų. Tai sukuria didelį šilumos kiekį, su kuriuo turi susidoroti galios elektronika.

Bet grįžkime prie elektros variklių klausimo. Kaip ir vidaus degimo variklius, juos galima skirstyti į skirtingas kvalifikacijas, o „laikas“ yra vienas iš jų. Tiesą sakant, tai yra daug svarbesnio skirtingo konstruktyvaus požiūrio, susijusio su magnetinių laukų generavimu ir sąveika, pasekmė. Nepaisant to, kad akumuliatoriaus asmenyje elektros šaltinis yra nuolatinė srovė, elektros sistemų projektuotojai net negalvoja apie nuolatinės srovės variklių naudojimą. Net atsižvelgdami į keitimo nuostolius, kintamosios srovės ir ypač sinchroniniai įrenginiai lenkia konkurenciją su nuolatinės srovės elementais. Taigi, ką iš tikrųjų reiškia sinchroninis ar asinchroninis variklis?

Elektromobilių įmonė

Tiek sinchroniniai, tiek asinchroniniai varikliai yra tokio tipo besisukančių magnetinio lauko elektrinių mašinų, kurių galios tankis yra didesnis. Apskritai, indukcinis rotorius susideda iš paprasto kietų lakštų, metalinių strypų, pagamintų iš aliuminio arba vario (pastaraisiais metais vis dažniau naudojamų) kaminų, su ritėmis uždaroje kilpoje. Srovė statoriaus apvijose teka priešingomis poromis, kiekvienoje poroje tekant vienai iš trijų fazių. Kadangi kiekviename iš jų jis fazėje pasislinkęs 120 laipsnių kampu, vadinamasis sukamasis magnetinis laukas. Rotoriaus apvijų susikirtimas su magnetinio lauko linijomis nuo statoriaus sukurto lauko veda į srovės srautą rotoriuje, panašiai kaip transformatoriaus sąveika.
Susidaręs magnetinis laukas sąveikauja su statoriaus „sukimu“, o tai lemia mechaninį rotoriaus sugriebimą ir tolesnį sukimąsi. Tačiau naudojant tokio tipo elektrinius variklius rotorius visada atsilieka nuo lauko, nes jei tarp lauko ir rotoriaus nėra santykinio judesio, rotoriuje nebus sukeltas magnetinis laukas. Taigi maksimalų greičio lygį lemia maitinimo srovės dažnis ir apkrova. Tačiau dėl didesnio sinchroninių variklių efektyvumo dauguma gamintojų jų laikosi, tačiau dėl kai kurių minėtų priežasčių „Tesla“ išlieka asinchroninių variklių šalininke.

Taip, šios mašinos yra pigesnės, tačiau jos turi ir neigiamų pusių, o visi žmonės, išbandę kelis nuoseklius pagreičius su Model S, pasakys, kaip našumas drastiškai mažėja su kiekviena iteracija. Indukcijos ir srovės tekėjimo procesai veda į kaitinimą, o kai mašina neaušinama esant didelei apkrovai, kaupiasi šiluma ir jos galimybės gerokai sumažėja. Apsaugos sumetimais elektronika sumažina srovės stiprumą ir pablogėja pagreičio našumas. Ir dar vienas dalykas – kad būtų naudojamas kaip generatorius, asinchroninis variklis turi būti įmagnetintas – tai yra „praleisti“ pradinę srovę per statorių, kuris generuoja lauką ir srovę rotoriuje procesui pradėti. Tada jis gali maitintis pats.

Asinchroniniai arba sinchroniniai varikliai

Sinchroniniai įrenginiai turi žymiai didesnį efektyvumą ir galios tankį. Reikšmingas skirtumas tarp asinchroninio variklio yra tas, kad rotoriaus magnetinis laukas nėra sukeltas sąveikos su statoriumi, bet yra srovės, tekančios per jame įmontuotas papildomas apvijas, arba nuolatinių magnetų, rezultatas. Taigi laukas rotoriuje ir laukas statoriuje yra sinchroniški, tačiau maksimalus variklio greitis taip pat priklauso nuo lauko sukimosi, atitinkamai nuo srovės dažnio ir apkrovos. Kad nereikėtų papildomo maitinimo į apvijas, kuris padidina elektros sąnaudas ir apsunkina srovės valdymą, šiuolaikinėse elektrinėse transporto priemonėse ir hibridiniuose modeliuose naudojami elektriniai varikliai su vadinamuoju nuolatiniu sužadinimu. su nuolatiniais magnetais. Kaip jau minėta, beveik visi tokių transporto priemonių gamintojai šiuo metu naudoja šio tipo agregatus, todėl, pasak daugelio ekspertų, vis tiek kils problema dėl brangių retųjų žemių neodimio ir disprozio trūkumų. Inžinierių poreikis šioje srityje yra sumažinti jų naudojimą.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Rotoriaus šerdies konstrukcija suteikia didžiausią potencialą pagerinti elektros mašinos veikimą.
Yra įvairių technologinių sprendimų su paviršiniais magnetais, disko formos rotoriumi, su viduje įmontuotais magnetais. Įdomus yra „Tesla“ sprendimas, kuris naudoja jau minėtą technologiją, vadinamą „Switched Reluctance Motor“, kad galėtų vairuoti „Model 3“ galinę ašį. „Atsparumas“ arba magnetinė varža yra terminas, priešingas magnetiniam laidumui, panašus į elektrinę varžą ir medžiagų elektrinį laidumą. Šio tipo varikliuose naudojamas reiškinys, kad magnetinis srautas linkęs pereiti per mažiausią magnetinę varžą turinčią medžiagos dalį. Dėl to jis fiziškai išstumia medžiagą, per kurią teka, kad prasiskverbtų pro dalį su mažiausiu pasipriešinimu. Šis efektas naudojamas elektros variklyje, kad būtų sukurtas sukamasis judėjimas - tam rotoriuje kaitaliojasi skirtingos magnetinės varžos medžiagos: kietos (ferito neodimio diskų pavidalu) ir minkštos (plieniniai diskai). Bandant prasiskverbti pro mažesnės varžos medžiagą, magnetinis srautas iš statoriaus suka rotorių tol, kol jis yra tam tikroje padėtyje. Su srovės valdymu laukas nuolat sukasi rotorių patogioje padėtyje. Tai reiškia, kad sukimąsi inicijuoja ne tiek magnetinių laukų sąveika, kiek lauko tendencija tekėti per medžiagą su mažiausiu pasipriešinimu ir dėl to atsirandantis rotoriaus sukimosi efektas. Kaitaliojant skirtingas medžiagas, sumažėja brangių komponentų skaičius.

Priklausomai nuo konstrukcijos, efektyvumo kreivė ir sukimo momentas keičiasi priklausomai nuo variklio sūkių skaičiaus. Iš pradžių indukcinis variklis turi mažiausią efektyvumą, o didžiausias - paviršiaus magnetus, tačiau pastarajame jis smarkiai mažėja didėjant greičiui. BMW i3 variklis turi unikalų hibridinį charakterį dėl dizaino, kuriame derinami nuolatiniai magnetai ir aukščiau aprašytas „nenorėjimo“ efektas. Taigi elektros variklis pasiekia aukštus pastovios galios ir sukimo momento lygius, kurie būdingi mašinoms su elektra sužadinamu rotoriumi, tačiau turi žymiai mažesnį svorį nei jos (pastarosios yra efektyvios daugeliu atžvilgių, bet ne pagal svorį). Po viso šito akivaizdu, kad važiuojant dideliu greičiu efektyvumas mažėja, todėl vis daugiau gamintojų teigia, kad didžiausią dėmesį skirs dviejų greičių elektros variklių transmisijai.

Klausimai ir atsakymai:

Kokius variklius naudoja Tesla? Visi „Tesla“ modeliai yra elektromobiliai, todėl juose montuojami išskirtinai elektros varikliai. Beveik kiekvienas modelis po gaubtu turės 3 fazių kintamosios srovės indukcinį variklį.

Kaip veikia Tesla variklis? Asinchroninis elektros variklis veikia dėl EML atsiradimo dėl sukimosi stacionariame magnetinio lauko statoriuje. Atvirkštinė eiga užtikrinama pakeičiant starterio ritių poliškumą.

Kur yra Tesla variklis? Tesla automobiliai yra varomi galiniais ratais. Todėl variklis yra tarp galinės ašies velenų. Variklis susideda iš rotoriaus ir statoriaus, kurie vienas su kitu liečiasi tik per guolius.

Kiek sveria Tesla variklis? Surinkto Tesla modeliams skirto elektros variklio svoris – 240 kilogramų. Iš esmės naudojama viena variklio modifikacija.