Nikola Tesla elbil

Elektriska motorer är mycket effektivare än förbränningsmotorer. Varför och när

Den grundläggande sanningen är att problemen med elfordon är relaterade till energikällan, men de kan ses från ett annat perspektiv. Liksom många saker i livet som vi tar för givet, anses elmotorn och styrsystemet i elfordon vara den mest effektiva och pålitliga enheten i dessa fordon. Men för att uppnå detta tillstånd har de kommit långt i evolutionen - från att ha upptäckt sambandet mellan elektricitet och magnetism till dess effektiva omvandling till en mekanisk kraft. Detta ämne underskattas ofta i samband med att man talar om den tekniska utvecklingen av förbränningsmotorn, men det blir alltmer nödvändigt att prata mer om maskinen som kallas elmotorn.

En eller två motorer

Om du tittar på prestandagrafen för en elmotor, oavsett typ, kommer du att märka att den är över 85 procent effektiv, ofta över 90 procent, och att den är som mest effektiv vid cirka 75 procents belastning. maximal. När kraften och storleken på elmotorn ökar, utökas verkningsgraden i enlighet därmed, där den kan nå sitt maximum ännu tidigare - ibland vid 20 procents belastning. Det finns dock en annan sida av myntet - trots det utökade utbudet av högre verkningsgrad kan användningen av mycket kraftfulla motorer med mycket låg belastning återigen leda till frekvent inträde i lågeffektivitetszonen. Därför är beslut om storlek, effekt, antal (en eller två) och användning (en eller två beroende på belastning) av elmotorer processer som ingår i designarbetet vid konstruktionen av en bil. I detta sammanhang är det förståeligt varför det är bättre att ha två motorer istället för en mycket kraftfull, nämligen så att den inte ofta kommer in i områden med låg verkningsgrad och på grund av möjligheten att stänga av den vid låga belastningar. Därför, vid dellast, till exempel i Tesla Model 3 Performance, används endast den bakre motorn. I mindre kraftfulla versioner är den den enda, och i mer dynamiska versioner är den asynkrona kopplad till framaxeln. Detta är en annan fördel med elfordon – kraften kan ökas lättare, lägen används beroende på effektivitetskrav och dubbla drivlinor är en användbar bieffekt. Lägre verkningsgrad vid låg belastning hindrar dock inte det faktum att, till skillnad från en förbränningsmotor, en elmotor producerar dragkraft vid noll varvtal på grund av dess fundamentalt annorlunda princip för drift och interaktion mellan magnetfält även under sådana förhållanden. Det tidigare nämnda faktumet om effektivitet är kärnan i motordesign och driftlägen - som vi har sagt, en överdimensionerad motor som kontinuerligt körs med låg belastning skulle vara ineffektiv.

Med den snabba utvecklingen av elektrisk mobilitet ökar mångfalden vad gäller motorproduktion. Fler och fler avtal och arrangemang utvecklas, där vissa tillverkare som BMW och VW designar och tillverkar sina egna bilar, andra köper aktier i bolag med anknytning till denna verksamhet och ytterligare andra lägger ut på leverantörer som Bosch. I de flesta fall, om du läser specifikationerna för en eldriven modell, kommer du att upptäcka att dess motor är "AC permanent magnet synkron". Tesla-pionjären använder sig dock av andra lösningar i denna riktning – asynkronmotorer i alla tidigare modeller och en kombination av asynkron och sk. "Motståndsomkopplarmotor som bakaxeldrivning i 3 Performance-modellen. I billigare versioner med enbart bakhjulsdrift är den den enda. Audi använder även induktionsmotorer för q-tron-modellen och en kombination av synkron- och asynkronmotorer för den kommande e-tron Q4. Vad handlar det om egentligen?

Nikola Tesla elbil

Det faktum att Nikola Tesla uppfann den asynkrona eller med andra ord den "asynkrona" elmotorn (tillbaka i slutet av 19 -talet) har ingen direkt koppling till det faktum att Tesla Motors -modellerna är en av få bilar som drivs av en sådan maskin ... Faktum är att Tesla -motorens driftsprincip blev mer populär på 60 -talet, när halvledarenheter gradvis växte fram under solen, och den amerikanska ingenjören Alan Coconi utvecklade bärbara halvledaromvandlare som kan omvandla likström (DC) -batterier till växelström (AC) ) som krävs för en induktionsmotor, och vice versa (under återhämtningsprocessen). Denna kombination av en växelriktare (även känd som en teknikomvandlare) och en elmotor som utvecklats av Coconi blev grunden för den ökända GM EV1 och, i en mer förfinad form, den sportiga tZERO. I likhet med sökandet efter japanska ingenjörer från Toyota i processen att skapa Prius och öppna TRW -patentet, upptäckte Teslas skapare tZERO -bilen. Så småningom köpte de en tZero -licens och använde den för att bygga en roadster.
Den största fördelen med en induktionsmotor är att den inte använder permanentmagneter och inte behöver dyra eller sällsynta metaller, som också ofta bryts under förhållanden som skapar moraliska dilemma för konsumenterna. Både asynkrona och permanentmagnetiska synkronmotorer utnyttjar emellertid tekniska framsteg i halvledarapparater, liksom i skapandet av MOSFET med fälteffekttransistorer och nyare bipolära isoleringstransistorer (IGBT). Det är denna framsteg som gör det möjligt att skapa nämnda kompakta inverteranordningar och i allmänhet all kraftelektronik i elektriska fordon. Det kan tyckas trivialt att förmågan att effektivt konvertera DC till 150-fas AC-batterier och vice versa till stor del beror på framstegen inom kontrollteknik, men det bör komma ihåg att strömstyrkan i kraftelektronik når nivåer som är många gånger högre än vanligt i hushållet elektriska nätverk, och värdena överstiger ofta XNUMX ampère. Detta genererar mycket värme som kraftelektroniken måste hantera.

Men tillbaka till frågan om elmotorer. Liksom förbränningsmotorer kan de kategoriseras i olika kvalifikationer, och "timing" är en av dem. I själva verket är detta en följd av ett mycket viktigare, annorlunda konstruktivt tillvägagångssätt när det gäller generering och interaktion av magnetfält. Trots att elkällan i batteriets person är likström, överväger konstruktörerna av elektriska system inte ens DC-motorer. Även med hänsyn till konverteringsförluster överträffar växelströmsenheter och särskilt synkronenheter konkurrensen med DC-element. Så vad betyder en synkron eller asynkron motor egentligen?

Elbilföretag

Både synkrona och asynkrona motorer är av den typ av roterande magnetfältelektriska maskiner som har en högre effektdensitet. I allmänhet består en induktionsrotor av en enkel bunt med fasta plåtar, aluminium- eller kopparmetallstänger (alltmer använt i nyare tid) med spolar i en sluten slinga. Ström flyter i statorlindningarna i motsatta par, med ström från en av de tre faserna som strömmar i varje par. Eftersom det i var och en av dem flyttas i fas med 120 grader relativt det andra, det så kallade roterande magnetfältet. Korsningen mellan rotorlindningarna med linjer i magnetfältet från fältet som genereras av statorn leder till ett strömflöde i rotorn, liknande interaktionen på en transformator.
Det resulterande magnetfältet interagerar med "rotationen" i statorn, vilket leder till mekaniskt grepp av rotorn och efterföljande rotation. Men med denna typ av elmotor ligger rotorn alltid bakom fältet, eftersom om det inte finns någon relativ rörelse mellan fältet och rotorn, induceras inget magnetfält i rotorn. Således bestäms den maximala hastighetsnivån av frekvensen för matningsströmmen och lasten. På grund av synkronmotorernas högre effektivitet håller de flesta tillverkare sig fast vid dem, men av några av ovanstående skäl förblir Tesla en förespråkare för asynkronmotorer.

Ja, dessa maskiner är billigare, men de har sina nackdelar, och alla människor som har testat flera successiva accelerationer med Model S kommer att berätta hur prestandan sjunker drastiskt för varje iteration. Induktionsprocesserna och strömflödet leder till uppvärmning, och när maskinen inte kyls under hög belastning ackumuleras värme och dess kapacitet reduceras avsevärt. För skyddsändamål minskar elektroniken mängden ström och accelerationsprestandan försämras. Och en sak till - för att användas som generator måste induktionsmotorn vara magnetiserad - det vill säga att "passera" den initiala strömmen genom statorn, som genererar fältet och strömmen i rotorn för att starta processen. Då kan han mata sig själv.

Asynkrona eller synkrona motorer

Synkronenheter har betydligt högre effektivitet och effektdensitet. En signifikant skillnad mellan en induktionsmotor är att magnetfältet i rotorn inte induceras av interaktion med statorn, utan är resultatet av strömmen som strömmar genom de ytterligare lindningarna installerade i den eller permanentmagneter. Fältet i rotorn och fältet i statorn är sålunda synkrona, men den maximala motorhastigheten beror också på fältets rotation, respektive, på den aktuella frekvensen och belastningen. För att undvika behovet av ytterligare strömförsörjning till lindningarna, vilket ökar strömförbrukningen och komplicerar strömstyrningen, används elektriska motorer med den så kallade konstant excitationen i moderna elektriska fordon och hybridmodeller. med permanentmagneter. Som redan nämnts använder nästan alla tillverkare av sådana fordon för närvarande enheter av denna typ, och enligt många experter kommer det fortfarande att finnas ett problem med en brist på dyra sällsynta jordartser neodym och dysprosium. Att minska användningen är en del av efterfrågan från ingenjörer inom detta område.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Utformningen av rotorkärnan erbjuder den största potentialen för att förbättra prestanda för en elektrisk maskin.
Det finns olika tekniska lösningar med ytmonterade magneter, skivformad rotor, med internt inbyggda magneter. Intressant här är Teslas lösning som använder den tidigare nämnda tekniken som kallas Switched Reluctance Motor för att driva Model 3:ans bakaxel. "Reluktans", eller magnetiskt motstånd, är en term som är motsatsen till magnetisk ledningsförmåga, liknande elektrisk resistans och elektrisk ledningsförmåga hos material. Motorer av denna typ använder fenomenet att magnetiskt flöde tenderar att passera genom den del av materialet med minst magnetiskt motstånd. Som ett resultat förskjuter den fysiskt materialet den strömmar igenom för att passera genom delen med minst motstånd. Denna effekt används i en elmotor för att skapa en rotationsrörelse - för detta alternerar material med olika magnetiskt motstånd i rotorn: hårda (i form av ferrit-neodymskivor) och mjuka (stålskivor). I ett försök att passera genom material med lägre motstånd, roterar det magnetiska flödet från statorn rotorn tills den är positionerad för att göra det. Med strömstyrning roterar fältet hela tiden rotorn i ett bekvämt läge. Det vill säga, rotationen initieras inte i sådan utsträckning av de magnetiska fältens samverkan som fältets tendens att strömma genom materialet med minsta motstånd och den resulterande effekten av rotorns rotation. Genom att alternera olika material minskar antalet dyra komponenter.

Beroende på konstruktionen ändras effektivitetskurvan och vridmomentet med motorvarvtalet. Inledningsvis har induktionsmotorn den lägsta verkningsgraden, och den högsta har ytmagneter, men i den senare minskar den kraftigt med hastigheten. BMW i3-motorn har en unik hybridkaraktär, tack vare en design som kombinerar permanentmagneter och den ovan beskrivna "reluctance"-effekten. Således uppnår elmotorn de höga nivåerna av konstant effekt och vridmoment som är karakteristiska för maskiner med en elektriskt exciterad rotor, men har betydligt mindre vikt än dem (de senare är effektiva i många avseenden, men inte viktmässigt). Efter allt detta är det tydligt att effektiviteten minskar vid höga hastigheter, varför fler och fler tillverkare säger att de kommer att fokusera på tvåväxlade transmissioner för elmotorer.

Frågor och svar:

Vilka motorer använder Tesla? Alla Tesla-modeller är elfordon, så de är uteslutande utrustade med elmotorer. Nästan varje modell kommer att ha en 3-fas AC-induktionsmotor under huven.

Hur fungerar en Tesla-motor? En asynkron elektrisk motor fungerar på grund av förekomsten av en EMF på grund av rotationen i en stationär stator av ett magnetfält. Bakåtgång tillhandahålls av polaritetsomkastning på startspolarna.

Var sitter Tesla-motorn? Teslas bilar är bakhjulsdrivna. Därför är motorn placerad mellan bakaxelns axlar. Motorn består av en rotor och stator, som endast kommer i kontakt med varandra via lager.

Hur mycket väger en Tesla-motor? Vikten på den monterade elmotorn för Tesla-modeller är 240 kilo. I princip används en motormodifikation.