Nikola Tesla elektrische auto

Elektromotoren zijn veel efficiënter dan verbrandingsmotoren. Waarom en wanneer

De fundamentele waarheid is dat de problemen van elektrische voertuigen verband houden met de energiebron, maar ze kunnen vanuit een ander perspectief worden bekeken. Zoals veel dingen in het leven die we als vanzelfsprekend beschouwen, worden de elektromotor en het besturingssysteem in elektrische voertuigen beschouwd als het meest efficiënte en betrouwbare apparaat in deze voertuigen. Om deze stand van zaken te bereiken, hebben ze echter een lange weg afgelegd in de evolutie - van het ontdekken van het verband tussen elektriciteit en magnetisme tot de effectieve transformatie ervan in een mechanische kracht. Dit onderwerp wordt vaak onderschat in de context van het praten over de technologische ontwikkeling van de verbrandingsmotor, maar het wordt steeds noodzakelijker om meer te praten over de machine die de elektromotor wordt genoemd.

Een of twee motoren

Als je naar de prestatiegrafiek van een elektromotor kijkt, ongeacht het type, zul je merken dat hij meer dan 85 procent efficiënt is, vaak meer dan 90 procent, en dat hij het meest efficiënt is bij een belasting van ongeveer 75 procent. maximaal. Naarmate het vermogen en de grootte van de elektromotor toenemen, wordt het efficiëntiebereik dienovereenkomstig uitgebreid, waar het zelfs eerder zijn maximum kan bereiken - soms bij 20 procent belasting. Er is echter een andere kant van de medaille: ondanks het grotere bereik van hogere efficiëntie kan het gebruik van zeer krachtige motoren met zeer lage belasting er opnieuw toe leiden dat men vaak in de zone met lage efficiëntie belandt. Daarom zijn beslissingen over de grootte, het vermogen, het aantal (een of twee) en het gebruik (een of twee afhankelijk van de belasting) van elektromotoren processen die deel uitmaken van het ontwerpwerk bij de constructie van een auto. In deze context is het begrijpelijk waarom het beter is om twee motoren te hebben in plaats van een zeer krachtige, namelijk zodat deze niet vaak in gebieden met een laag rendement terechtkomt en vanwege de mogelijkheid om deze bij lage belastingen uit te schakelen. Daarom wordt bij deellast, bijvoorbeeld in de Tesla Model 3 Performance, alleen de achterste motor gebruikt. In minder krachtige versies is het de enige en in meer dynamische versies is de asynchrone verbonden met de vooras. Dit is een ander voordeel van elektrische voertuigen - het vermogen kan gemakkelijker worden verhoogd, modi worden gebruikt afhankelijk van efficiëntie-eisen en dubbele aandrijflijnen zijn een nuttig neveneffect. Het lagere rendement bij lage belasting verhindert echter niet dat een elektromotor, in tegenstelling tot een verbrandingsmotor, stuwkracht genereert bij nulsnelheid vanwege het fundamenteel andere werkingsprincipe en de interactie tussen magnetische velden, zelfs onder dergelijke omstandigheden. Het bovengenoemde feit van efficiëntie vormt de kern van het motorontwerp en de werkingsmodi - zoals we al zeiden, zou een te grote motor die continu op lage belasting draait inefficiënt zijn.

Met de snelle ontwikkeling van elektrische mobiliteit neemt de diversiteit in motorproductie toe. Er worden steeds meer overeenkomsten en arrangementen ontwikkeld, waarbij sommige fabrikanten zoals BMW en VW hun eigen auto's ontwerpen en produceren, anderen aandelen kopen in aan deze business gerelateerde bedrijven en weer anderen uitbesteden aan toeleveranciers zoals Bosch. Als u de specificaties van een elektrisch aangedreven model leest, zult u in de meeste gevallen zien dat de motor "AC permanent magneet synchroon" is. De Tesla-pionier gebruikt echter andere oplossingen in deze richting: asynchrone motoren in alle voorgaande modellen en een combinatie van asynchrone en zogenaamde. “Weerstand schakelende motor als achterasaandrijving in het 3 Performance model. In goedkopere versies met alleen achterwielaandrijving is het de enige. Audi gebruikt ook inductiemotoren voor het q-tron-model en een combinatie van synchrone en asynchrone motoren voor de aanstaande e-tron Q4. Waar gaat het echt over?

Nikola Tesla elektrische auto

Het feit dat Nikola Tesla de asynchrone of, met andere woorden, de "asynchrone" elektromotor uitvond (terug in de late 19e eeuw) heeft geen direct verband met het feit dat Tesla Motors-modellen een van de weinige auto's zijn die door een dergelijke machine worden aangedreven ... ... In feite werd het werkingsprincipe van de Tesla-motor populairder in de jaren 60, toen halfgeleiderapparaten geleidelijk onder de zon opkwamen, en de Amerikaanse ingenieur Alan Coconi draagbare halfgeleideromvormers ontwikkelde die gelijkstroom (DC)-batterijen kunnen omzetten in wisselstroom (AC). ) zoals vereist voor een inductiemotor, en vice versa (in het proces van herstel). Deze combinatie van een inverter (ook wel engineering transverter genoemd) en een door Coconi ontwikkelde elektromotor werd de basis voor de beruchte GM EV1 en, in een meer verfijnde vorm, de sportieve tZERO. Net als bij de zoektocht naar Japanse ingenieurs van Toyota tijdens het maken van de Prius en het openen van het TRW-patent, ontdekten de makers van Tesla de tZERO-auto. Uiteindelijk kochten ze een tZero-licentie en gebruikten die om een ​​roadster te bouwen.
Het grootste voordeel van een inductiemotor is dat deze geen gebruik maakt van permanente magneten en geen dure of zeldzame metalen nodig heeft, die ook vaak worden gewonnen onder omstandigheden die morele dilemma's voor de consument opleveren. Zowel asynchrone als permanentmagneet-synchrone motoren maken echter volledig gebruik van de technologische vooruitgang in halfgeleiderinrichtingen, evenals bij het creëren van MOSFET's met een veldeffecttransistor en later bipolaire isolatietransistors (IGBT's). Het is deze vooruitgang die het mogelijk maakt om de genoemde compacte inverter-apparaten en in het algemeen alle vermogenselektronica in elektrische voertuigen te creëren. Het lijkt misschien triviaal dat het vermogen om DC efficiënt om te zetten in driefasige AC-batterijen en vice versa grotendeels te danken is aan de vooruitgang in de besturingstechnologie, maar er moet rekening mee worden gehouden dat de stroom in vermogenselektronica niveaus bereikt die vele malen hoger zijn dan normaal in huishoudens. elektrisch netwerk, en vaak overschrijden de waarden 150 ampère. Dit genereert een grote hoeveelheid warmte waar de vermogenselektronica mee te maken krijgt.

Maar terug naar de kwestie van elektromotoren. Net als verbrandingsmotoren kunnen ze worden onderverdeeld in verschillende kwalificaties, en "timing" is er daar een van. In feite is dit een gevolg van een veel belangrijkere andere constructieve benadering in termen van het genereren en de interactie van magnetische velden. Ondanks het feit dat de bron van elektriciteit in de persoon van de batterij gelijkstroom is, denken ontwerpers van elektrische systemen er niet eens aan om gelijkstroommotoren te gebruiken. Zelfs rekening houdend met conversieverliezen, presteren AC-units en vooral synchrone units beter dan de concurrentie met DC-elementen. Dus wat betekent een synchrone of asynchrone motor eigenlijk?

Bedrijf van elektrische auto's

Zowel synchrone als asynchrone motoren zijn van het type elektrische machines met roterend magnetisch veld met een hogere vermogensdichtheid. Over het algemeen bestaat een inductierotor uit een eenvoudige stapel massieve platen, metalen staven van aluminium of koper (de laatste jaren steeds vaker gebruikt) met spoelen in een gesloten lus. Stroom vloeit in de statorwikkelingen in tegengestelde paren, waarbij stroom van een van de drie fasen in elk paar stroomt. Omdat het in elk van hen 120 graden in fase is verschoven ten opzichte van het andere, het zogenaamde roterende magnetische veld. De kruising van de rotorwikkelingen met lijnen van het magnetische veld van het veld gecreëerd door de stator leidt tot de stroom van stroom in de rotor, vergelijkbaar met de interactie op een transformator.
Het resulterende magnetische veld staat in wisselwerking met het "roteren" in de stator, wat leidt tot mechanisch vastgrijpen van de rotor en daaropvolgende rotatie. Bij dit type elektromotor blijft de rotor echter altijd achter op het veld, want als er geen relatieve beweging is tussen het veld en de rotor, zal er geen magnetisch veld in de rotor worden opgewekt. Het maximale snelheidsniveau wordt dus bepaald door de frequentie van de voedingsstroom en de belasting. Vanwege de hogere efficiëntie van synchrone motoren houden de meeste fabrikanten zich er echter aan, maar om enkele van de bovenstaande redenen blijft Tesla een voorstander van asynchrone motoren.

Ja, deze machines zijn goedkoper, maar ze hebben ook hun nadelen, en alle mensen die meerdere opeenvolgende acceleraties met de Model S hebben getest, zullen je vertellen hoe de prestaties bij elke iteratie drastisch afnemen. De inductieprocessen en de stroomstroom leiden tot verwarming, en wanneer de machine niet onder hoge belasting wordt gekoeld, hoopt de warmte zich op en worden de mogelijkheden ervan aanzienlijk verminderd. Ter bescherming vermindert de elektronica de hoeveelheid stroom en neemt het acceleratievermogen af. En nog een ding - om als generator te worden gebruikt, moet de inductiemotor worden gemagnetiseerd - dat wil zeggen om de initiële stroom door de stator te "laten gaan", die het veld en de stroom in de rotor genereert om het proces te starten. Dan kan hij zichzelf voeden.

Asynchrone of synchrone motoren

Synchrone units hebben een aanzienlijk hoger rendement en vermogensdichtheid. Een significant verschil tussen een inductiemotor is dat het magnetische veld in de rotor niet wordt geïnduceerd door interactie met de stator, maar het resultaat is van de stroom die door de extra wikkelingen die erin zijn geïnstalleerd, of permanente magneten, vloeit. Het veld in de rotor en het veld in de stator zijn dus synchroon, maar het maximale motortoerental is ook afhankelijk van de rotatie van het veld, respectievelijk van de huidige frequentie en belasting. Om te voorkomen dat er extra stroomtoevoer naar de wikkelingen nodig is, wat het elektriciteitsverbruik verhoogt en de stroomregeling bemoeilijkt, worden in moderne elektrische voertuigen en hybride modellen elektromotoren met de zogenaamde constante excitatie gebruikt. met permanente magneten. Zoals reeds vermeld, gebruiken bijna alle fabrikanten van dergelijke voertuigen momenteel eenheden van dit type, daarom zal er volgens veel experts nog steeds een probleem zijn met een tekort aan dure zeldzame aarden neodymium en dysprosium. Het verminderen van hun gebruik maakt deel uit van de vraag van ingenieurs op dit gebied.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Het ontwerp van de rotorkern biedt het grootste potentieel om de prestaties van een elektrische machine te verbeteren.
Er zijn verschillende technologische oplossingen met opbouwmagneten, schijfvormige rotor, met intern ingebouwde magneten. Interessant hier is de oplossing van Tesla, die de eerder genoemde technologie genaamd Switched Reluctance Motor gebruikt om de achteras van Model 3 aan te drijven. "Reluctantie", of magnetische weerstand, is een term die tegengesteld is aan magnetische geleidbaarheid, vergelijkbaar met elektrische weerstand en elektrische geleidbaarheid van materialen. Motoren van dit type maken gebruik van het fenomeen dat magnetische flux de neiging heeft door het deel van het materiaal met de minste magnetische weerstand te gaan. Als gevolg hiervan verplaatst het het materiaal waar het doorheen stroomt fysiek om door het onderdeel met de minste weerstand te gaan. Dit effect wordt in een elektromotor gebruikt om een ​​roterende beweging te creëren - hiervoor wisselen materialen met verschillende magnetische weerstanden elkaar af in de rotor: hard (in de vorm van ferriet neodymium schijven) en zacht (stalen schijven). In een poging om door materiaal met een lagere weerstand te gaan, draait de magnetische flux van de stator de rotor totdat deze in de juiste positie staat om dit te doen. Met stroomregeling draait het veld de rotor constant in een comfortabele positie. Dat wil zeggen, de rotatie wordt niet zozeer geïnitieerd door de interactie van de magnetische velden als de neiging van het veld om door het materiaal te stromen met de minste weerstand en het resulterende effect van de rotatie van de rotor. Door verschillende materialen af ​​te wisselen, wordt het aantal dure componenten verminderd.

Afhankelijk van het ontwerp veranderen de efficiëntiecurve en het koppel met het motortoerental. Aanvankelijk heeft de inductiemotor de laagste efficiëntie en de hoogste heeft oppervlaktemagneten, maar in de laatste neemt deze sterk af met de snelheid. De BMW i3-motor heeft een uniek hybride karakter, dankzij een ontwerp dat permanente magneten combineert met het hierboven beschreven "reluctance"-effect. Zo bereikt de elektromotor de hoge niveaus van constant vermogen en koppel die kenmerkend zijn voor machines met een elektrisch bekrachtigde rotor, maar heeft hij aanzienlijk minder gewicht dan deze (de laatste zijn in veel opzichten efficiënt, maar niet qua gewicht). Na dit alles is het duidelijk dat de efficiëntie afneemt bij hoge snelheden, en daarom zeggen steeds meer fabrikanten dat ze zich zullen concentreren op transmissies met twee snelheden voor elektromotoren.

Vragen en antwoorden:

Welke motoren gebruikt Tesla? Alle Tesla-modellen zijn elektrische voertuigen, dus ze zijn uitsluitend uitgerust met elektrische motoren. Bijna elk model zal een 3-fasen AC-inductiemotor onder de motorkap hebben.

Hoe werkt een Tesla-motor? Een asynchrone elektromotor werkt vanwege het optreden van een EMF als gevolg van de rotatie in een stationaire stator van een magnetisch veld. Omgekeerd rijden wordt mogelijk gemaakt door polariteitsomkering op de startspoelen.

Waar staat de Tesla-motor? Tesla-auto's zijn achterwielaangedreven. Daarom bevindt de motor zich tussen de achterasassen. De motor bestaat uit een rotor en stator, die alleen via lagers met elkaar in contact komen.

Hoeveel weegt een Tesla-motor? Het gewicht van de geassembleerde elektromotor voor Tesla-modellen is 240 kilogram. In principe wordt één motormodificatie gebruikt.