Nicola Tesla Electric Machine

Motores elétricos são muito mais eficientes que motores de combustão interna. Porque e quando

A verdade básica é que os problemas dos veículos elétricos estão relacionados à fonte de energia, mas podem ser vistos de outra perspectiva. Como muitas coisas na vida que tomamos como certas, o motor elétrico e o sistema de controle em veículos elétricos são considerados o dispositivo mais eficiente e confiável nesses veículos. No entanto, para alcançar esse estado de coisas, eles percorreram um longo caminho na evolução - desde a descoberta da conexão entre eletricidade e magnetismo até sua transformação efetiva em força mecânica. Este tema é muitas vezes subestimado no contexto de se falar sobre o desenvolvimento tecnológico do motor de combustão interna, mas torna-se cada vez mais necessário falar mais sobre a máquina chamada motor elétrico.

Um ou dois motores

Se você observar o gráfico de desempenho de um motor elétrico, independentemente do seu tipo, notará que ele tem mais de 85% de eficiência, geralmente mais de 90%, e é mais eficiente com cerca de 75% de carga. máximo. À medida que a potência e o tamanho do motor elétrico aumentam, a faixa de eficiência se expande de acordo, onde pode atingir seu máximo ainda mais cedo - às vezes com 20% de carga. No entanto, há outro lado da moeda - apesar da faixa estendida de maior eficiência, o uso de motores muito potentes com carga muito baixa pode novamente levar à entrada frequente na zona de baixa eficiência. Portanto, decisões quanto ao tamanho, potência, número (um ou dois) e uso (um ou dois dependendo da carga) de motores elétricos são processos que fazem parte do trabalho de projeto na construção de um carro. Neste contexto, compreende-se porque é preferível ter dois motores em vez de um muito potente, nomeadamente para não entrar frequentemente em zonas de baixo rendimento, e pela possibilidade de o desligar a baixas cargas. Portanto, em carga parcial, por exemplo, no Tesla Model 3 Performance, apenas o motor traseiro é usado. Nas versões menos potentes, é o único, e nas versões mais dinâmicas, o assíncrono é conectado ao eixo dianteiro. Esta é outra vantagem dos veículos elétricos - a potência pode ser aumentada mais facilmente, os modos são usados ​​dependendo dos requisitos de eficiência e os powertrains duplos são um efeito colateral útil. No entanto, a menor eficiência em baixa carga não impede que, ao contrário de um motor de combustão interna, um motor elétrico gere empuxo em velocidade zero devido ao seu princípio de operação fundamentalmente diferente e interação entre campos magnéticos mesmo sob tais condições. O fato mencionado acima da eficiência está no centro do projeto do motor e dos modos de operação - como dissemos, um motor superdimensionado funcionando continuamente em baixa carga seria ineficiente.

Com o rápido desenvolvimento da mobilidade elétrica, a diversidade em termos de produção de motores está se expandindo. Cada vez mais acordos e acordos estão sendo desenvolvidos, por meio dos quais alguns fabricantes, como BMW e VW, projetam e fabricam seus próprios carros, outros compram ações de empresas relacionadas a esse negócio e outros ainda terceirizam para fornecedores como a Bosch. Na maioria dos casos, se você ler as especificações de um modelo alimentado eletricamente, descobrirá que seu motor é "CA síncrono de ímã permanente". No entanto, o pioneiro da Tesla usa outras soluções nessa direção - motores assíncronos em todos os modelos anteriores e uma combinação de assíncronos e chamados. “Motor de comutação de resistência como acionamento do eixo traseiro no modelo 3 Performance. Nas versões mais baratas, apenas com tração traseira, é o único. A Audi também está usando motores de indução para o modelo q-tron e uma combinação de motores síncronos e assíncronos para o próximo e-tron Q4. Do que se trata realmente?

Nicola Tesla Electric Machine

O fato de Nikola Tesla ter inventado o motor elétrico assíncrono ou, em outras palavras, o motor elétrico "assíncrono" (no final do século 19) não tem conexão direta com o fato de os modelos da Tesla Motors serem um dos poucos carros movidos por tal máquina ... Na verdade, o princípio de operação do motor Tesla se tornou mais popular na década de 60, quando dispositivos semicondutores foram gradualmente surgindo sob o sol, e o engenheiro americano Alan Coconi desenvolveu inversores semicondutores portáteis que podem converter baterias de corrente contínua (DC) em corrente alternada (AC ) conforme necessário para um motor de indução e vice-versa (no processo de recuperação). Essa combinação de um inversor (também conhecido como transverter de engenharia) e um motor elétrico desenvolvido pela Coconi tornou-se a base do infame GM EV1 e, de forma mais refinada, do esportivo tZERO. Semelhante à busca por engenheiros japoneses da Toyota no processo de criação do Prius e abertura da patente TRW, os criadores da Tesla descobriram o carro tZERO. Eventualmente, eles compraram uma licença tZero e a usaram para construir um roadster.
A maior vantagem de um motor de indução é que ele não usa ímãs permanentes e não precisa de metais caros ou raros, que também são frequentemente extraídos em condições que criam dilemas morais para os consumidores. No entanto, os motores síncronos assíncronos e de ímã permanente fazem pleno uso dos avanços tecnológicos em dispositivos semicondutores, bem como na criação de MOSFETs com um transistor de efeito de campo e transistores posteriores com isolamento bipolar (IGBT). É esse progresso que nos permite criar os dispositivos inversores compactos mencionados e, em geral, toda a eletrônica de potência em veículos elétricos. O fato de que a capacidade de converter com eficiência baterias DC em variáveis ​​trifásicas e vice-versa deve-se em grande parte a avanços na tecnologia de controle pode parecer trivial, mas lembre-se de que a corrente na eletrônica de potência atinge níveis muitas vezes mais altos do que o habitual em residências. rede elétrica e, frequentemente, os valores excedem 150 amperes. Isso gera uma grande quantidade de calor, com o qual a eletrônica de potência deve lidar.

Mas voltando à questão dos motores elétricos. Como os motores de combustão interna, eles podem ser divididos em vários parâmetros de qualificação, e a “sincronização” é um deles. De fato, isso é consequência de uma outra abordagem construtiva muito mais importante em termos de geração e interação de campos magnéticos. Apesar do fato de a fonte de eletricidade em face da bateria ser de corrente contínua, os projetistas de sistemas elétricos nem pensam em usar motores de corrente contínua. Mesmo levando em consideração as perdas de conversão, as unidades CA e, especialmente, as síncronas, vencem a concorrência com os elementos CD. Então, o que realmente significa um motor síncrono ou assíncrono?

Auto Motor Company

Os motores síncronos e assíncronos pertencem ao tipo de máquinas elétricas com um campo magnético rotativo, com maior densidade de potência. Em geral, um rotor assíncrono consiste em um pacote simples de folhas sólidas, hastes metálicas de alumínio ou cobre (mais e mais frequentemente usadas recentemente) com bobinas em loop fechado. A corrente flui nos enrolamentos do estator em pares opostos, e a corrente de uma das três fases flui em cada par. Uma vez que em cada uma delas a fase é deslocada 120 graus em relação à outra, o chamado campo magnético rotativo. A interseção dos enrolamentos do rotor com as linhas de campo magnético do campo criado pelo estator leva ao fluxo de corrente no rotor, semelhante à interação no transformador.
O campo magnético resultante interage com a "rotação" no estator, o que leva à captura mecânica do rotor e subsequente rotação. No entanto, com esse tipo de motor elétrico, o rotor fica sempre atrás do campo, porque se não houver movimento relativo entre o campo e o rotor, o campo magnético não será induzido no rotor. Assim, o nível máximo de velocidade é determinado pela frequência da corrente de alimentação e da carga. No entanto, devido à maior eficiência dos motores síncronos, a maioria dos fabricantes adere a eles, mas, por algumas das razões acima, a Tesla continua a apoiar os produtos assíncronos.

Sim, essas máquinas são mais baratas, mas têm suas desvantagens, e todas as pessoas que testaram várias acelerações sucessivas com o Modelo S dirão como o desempenho cai drasticamente a cada iteração. Os processos de indução e o fluxo de corrente levam ao aquecimento e, quando a máquina não é resfriada sob alta carga, o calor se acumula e suas capacidades são significativamente reduzidas. Para fins de proteção, a eletrônica reduz a quantidade de corrente e o desempenho de aceleração é degradado. E mais uma coisa - para ser usado como gerador, o motor de indução deve ser magnetizado - ou seja, "passar" a corrente inicial pelo estator, que gera o campo e a corrente no rotor para iniciar o processo. Então ele pode se alimentar sozinho.

Motores assíncronos ou síncronos

Blocos síncronos têm eficiência e densidade de energia significativamente mais altas. Uma diferença significativa entre um motor de indução é que o campo magnético no rotor não é induzido pela interação com o estator, mas é o resultado da corrente que flui através dos enrolamentos adicionais instalados nele, ou ímãs permanentes. Assim, o campo no rotor e o campo no estator são síncronos, mas a velocidade máxima do motor também depende da rotação do campo, respectivamente, da frequência e carga atuais. Para evitar a necessidade de energia adicional para os enrolamentos, o que aumenta o consumo de energia e complica o controle de corrente, os veículos elétricos modernos e os modelos híbridos usam motores elétricos com a chamada excitação constante N., ou seja, com ímãs permanentes. Como já mencionado, quase todos os fabricantes desses carros atualmente usam unidades desse tipo; portanto, de acordo com muitos especialistas, ainda haverá um problema com a falta de elementos caros de terras raras de neodímio e disprósio. Reduzir seu uso faz parte da demanda de engenheiros nessa área.

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O design do núcleo do rotor oferece o maior potencial para aumentar o desempenho de uma máquina elétrica.
Existem várias soluções tecnológicas com ímãs de superfície, rotor em forma de disco, com ímãs embutidos internamente. Interessante aqui é a solução da Tesla, que usa a tecnologia já mencionada chamada Switched Reluctance Motor para acionar o eixo traseiro do Model 3. "Relutância", ou resistência magnética, é um termo oposto à condutividade magnética, semelhante à resistência elétrica e à condutividade elétrica dos materiais. Motores desse tipo usam o fenômeno de que o fluxo magnético tende a passar pela parte do material com menor resistência magnética. Como resultado, ele desloca fisicamente o material pelo qual está fluindo para passar pela parte com menor resistência. Esse efeito é usado em um motor elétrico para criar um movimento rotacional - para isso, materiais com diferentes resistências magnéticas se alternam no rotor: duros (na forma de discos de neodímio de ferrite) e macios (discos de aço). Na tentativa de passar por um material de menor resistência, o fluxo magnético do estator gira o rotor até que ele esteja posicionado para isso. Com controle de corrente, o campo gira constantemente o rotor em uma posição confortável. Ou seja, a rotação não é iniciada tanto pela interação dos campos magnéticos quanto pela tendência do campo fluir através do material com a menor resistência e o efeito resultante da rotação do rotor. Ao alternar diferentes materiais, o número de componentes caros é reduzido.

Dependendo do projeto, a curva de eficiência e o torque mudam com a rotação do motor. Inicialmente, o motor de indução tem a menor eficiência, e o maior possui ímãs de superfície, mas neste último diminui drasticamente com a velocidade. O motor BMW i3 tem um caráter híbrido único, graças a um design que combina ímãs permanentes e o efeito de "relutância" descrito acima. Assim, o motor elétrico atinge os altos níveis de potência e torque constantes que são característicos das máquinas com rotor eletricamente excitado, mas tem peso significativamente menor que eles (estes últimos são eficientes em muitos aspectos, mas não em termos de peso). Depois de tudo isso, fica claro que a eficiência está diminuindo em altas velocidades, e é por isso que cada vez mais fabricantes estão dizendo que vão se concentrar em transmissões de duas velocidades para motores elétricos.

Perguntas e Respostas:

Quais motores o Tesla usa? Todos os modelos da Tesla são veículos elétricos, portanto, são equipados exclusivamente com motores elétricos. Quase todos os modelos terão um motor de indução CA trifásico sob o capô.

Como funciona um motor Tesla? Um motor elétrico assíncrono funciona devido à ocorrência de um EMF devido à rotação em um estator estacionário de um campo magnético. O deslocamento reverso é fornecido pela inversão de polaridade nas bobinas de partida.

Onde está localizado o motor Tesla? Os carros da Tesla têm tração traseira. Portanto, o motor está localizado entre os semi-eixos traseiros. O motor é composto por um rotor e estator, que só entram em contato por meio de rolamentos.

Quanto pesa um motor Tesla? O peso do motor elétrico montado para os modelos Tesla é de 240 quilos. Basicamente, uma modificação do motor é usada.