Maszyna elektryczna Nicola Tesla

Silniki elektryczne są znacznie bardziej wydajne niż silniki spalinowe. Dlaczego i kiedy

Podstawowa prawda jest taka, że ​​problemy pojazdów elektrycznych są związane ze źródłem energii, ale można na nie spojrzeć z innej perspektywy. Podobnie jak wiele rzeczy w życiu, które uważamy za oczywiste, silnik elektryczny i system sterowania w pojazdach elektrycznych są uważane za najbardziej wydajne i niezawodne urządzenia w tych pojazdach. Aby jednak osiągnąć ten stan rzeczy, przeszli długą drogę w ewolucji – od odkrycia związku między elektrycznością a magnetyzmem, aż po efektywne jego przekształcenie w siłę mechaniczną. Temat ten często jest bagatelizowany w kontekście mówienia o rozwoju technologicznym silnika spalinowego, jednak coraz częściej konieczne staje się mówienie więcej o maszynie zwanej silnikiem elektrycznym.

Jeden lub dwa silniki

Jeśli spojrzysz na wykres osiągów silnika elektrycznego, niezależnie od jego typu, zauważysz, że ma on ponad 85% sprawności, często ponad 90%, i że jest najbardziej wydajny przy około 75% obciążenia. maksymalny. Wraz ze wzrostem mocy i wielkości silnika elektrycznego zakres sprawności odpowiednio się rozszerza, gdzie może osiągnąć swoje maksimum jeszcze wcześniej – czasem przy 20-procentowym obciążeniu. Jest jednak druga strona medalu – pomimo rozszerzonego zakresu wyższej sprawności, zastosowanie bardzo mocnych silników przy bardzo małym obciążeniu może ponownie doprowadzić do częstego wchodzenia w strefę niskiej sprawności. Dlatego decyzje dotyczące wielkości, mocy, liczby (jeden lub dwa) i zastosowania (jednego lub dwóch w zależności od obciążenia) silników elektrycznych są procesami, które są częścią prac projektowych przy budowie samochodu. W tym kontekście zrozumiałe jest, dlaczego lepiej mieć dwa silniki zamiast jednego bardzo mocnego, a mianowicie, aby nie wjeżdżał często w obszary o niskiej sprawności oraz ze względu na możliwość wyłączenia go przy małych obciążeniach. Dlatego przy częściowym obciążeniu, na przykład w Tesli Model 3 Performance, używany jest tylko tylny silnik. W wersjach o mniejszej mocy jest jedyny, aw wersjach bardziej dynamicznych asynchroniczny jest podłączony do przedniej osi. To kolejna zaleta pojazdów elektrycznych - moc można łatwiej zwiększyć, tryby są używane w zależności od wymagań wydajnościowych, a podwójne układy napędowe są użytecznym efektem ubocznym. Niższa sprawność przy małym obciążeniu nie przeszkadza jednak w tym, że w przeciwieństwie do silnika spalinowego silnik elektryczny generuje ciąg przy zerowej prędkości ze względu na zasadniczo odmienną zasadę działania i oddziaływanie pól magnetycznych nawet w takich warunkach. Wspomniany wcześniej fakt sprawności leży u podstaw konstrukcji silnika i trybów pracy - jak powiedzieliśmy, przewymiarowany silnik pracujący ciągle przy niskim obciążeniu byłby nieefektywny.

Wraz z szybkim rozwojem mobilności elektrycznej zwiększa się różnorodność pod względem produkcji silników. Powstaje coraz więcej umów i porozumień, na mocy których niektórzy producenci, jak BMW czy VW, projektują i produkują własne samochody, inni kupują udziały w firmach związanych z tym biznesem, a jeszcze inni zlecają to dostawcom, takim jak Bosch. W większości przypadków, jeśli przeczytasz specyfikację modelu zasilanego elektrycznie, przekonasz się, że jego silnik jest „synchroniczny z magnesami trwałymi prądu przemiennego”. Pionier Tesli stosuje jednak w tym kierunku inne rozwiązania – silniki asynchroniczne we wszystkich poprzednich modelach oraz połączenie asynchronicznego i tzw. „Silnik przełączający rezystancję jako napęd tylnej osi w modelu 3 Performance. W tańszych wersjach tylko z napędem na tylną oś jako jedyny. Audi stosuje również silniki indukcyjne w modelu q-tron oraz kombinację silników synchronicznych i asynchronicznych w nadchodzącym e-tron Q4. O co tak naprawdę chodzi?

Maszyna elektryczna Nicola Tesla

Fakt, że Nikola Tesla wynalazł asynchroniczny, czyli inaczej mówiąc „asynchroniczny” silnik elektryczny (jeszcze pod koniec XIX wieku), nie ma bezpośredniego związku z faktem, że modele Tesla Motors są jednymi z nielicznych samochodów napędzanych taką maszyną ... W rzeczywistości zasada działania silnika Tesli stała się bardziej popularna w latach 19., kiedy urządzenia półprzewodnikowe stopniowo pojawiały się pod słońcem, a amerykański inżynier Alan Coconi opracował przenośne falowniki półprzewodnikowe, które mogą przekształcać baterie prądu stałego (DC) w prąd zmienny (AC). ) zgodnie z wymaganiami dla silnika indukcyjnego i odwrotnie (w procesie regeneracji). Ta kombinacja falownika (znanego również jako inżynieryjny transwerter) i silnika elektrycznego, opracowana przez Coconi, stała się podstawą niesławnego GM EV60 oraz, w bardziej wyrafinowanej formie, sportowego tZERO. Przez analogię do poszukiwań japońskich inżynierów z Toyoty podczas tworzenia Priusa i odkrycia patentu TRW, twórcy Tesli odkryli samochód tZERO. Ostatecznie kupili licencję tZero i wykorzystali ją do budowy roadstera.
Największą zaletą silnika indukcyjnego jest to, że nie wykorzystuje on magnesów trwałych i nie potrzebuje drogich lub rzadkich metali, które są często wydobywane w warunkach, które stawiają moralne dylematy dla konsumentów. Jednak zarówno silniki asynchroniczne, jak i synchroniczne z magnesami trwałymi w pełni wykorzystują postęp technologiczny w urządzeniach półprzewodnikowych, a także w tworzeniu tranzystorów MOSFET z tranzystorem polowym, a następnie tranzystorów z izolacją bipolarną (IGBT). Ten postęp pozwala nam tworzyć wspomniane kompaktowe urządzenia inwerterowe i ogólnie całą elektronikę mocy w pojazdach elektrycznych. Fakt, że zdolność do wydajnej konwersji akumulatorów prądu stałego na zmienne trójfazowe i odwrotnie wynika głównie z postępów w technologii sterowania, może wydawać się trywialny, ale należy pamiętać, że prąd w elektronice energetycznej osiąga poziomy wielokrotnie wyższe niż zwykle w gospodarstwie domowym sieć elektryczna, a często wartości przekraczają 150 amperów. Generuje to dużą ilość ciepła, z którą musi radzić sobie elektronika energetyczna.

Wróćmy jednak do kwestii silników elektrycznych. Podobnie jak silniki spalinowe, można je podzielić na różne parametry kwalifikacyjne, a „synchronizacja” jest jednym z nich. W rzeczywistości jest to konsekwencja znacznie ważniejszego innego konstruktywnego podejścia w zakresie generowania i oddziaływania pól magnetycznych. Pomimo faktu, że źródłem energii elektrycznej w obliczu akumulatora jest prąd stały, projektanci układów elektrycznych nawet nie myślą o zastosowaniu silników prądu stałego. Nawet biorąc pod uwagę straty konwersji, jednostki prądu przemiennego, a zwłaszcza jednostki synchroniczne, wygrywają konkurencję z elementami prądu stałego. Co tak naprawdę oznacza silnik synchroniczny lub asynchroniczny?

Auto Motor Company

Zarówno silniki synchroniczne, jak i asynchroniczne należą do typu maszyn elektrycznych z wirującym polem magnetycznym, które mają wyższą gęstość mocy. Generalnie asynchroniczny wirnik składa się z prostego pakietu litych arkuszy, metalowych prętów z aluminium lub miedzi (coraz częściej używanych ostatnio) z cewkami w zamkniętej pętli. Prąd płynie w uzwojeniach stojana w przeciwnych parach, a prąd z jednej z trzech faz płynie w każdej parze. Ponieważ w każdym z nich przesunięto fazę o 120 stopni w stosunku do drugiego, tak zwanego wirującego pola magnetycznego. Przecięcie zwojów wirnika z liniami pola magnetycznego z pola utworzonego przez stojan prowadzi do przepływu prądu w wirniku, podobnie do interakcji na transformatorze.
Powstałe pole magnetyczne oddziałuje z „wirowaniem” w stojanie, co prowadzi do mechanicznego wychwytywania wirnika i późniejszego obrotu. Jednak w przypadku tego typu silnika elektrycznego wirnik zawsze pozostaje w tyle za polem, ponieważ jeśli nie ma względnego ruchu między polem a wirnikiem, pole magnetyczne nie zostanie indukowane w wirniku. Zatem maksymalny poziom prędkości zależy od częstotliwości prądu zasilającego i obciążenia. Jednak ze względu na wyższą sprawność silników synchronicznych większość producentów stosuje się do nich, ale z niektórych z powyższych powodów Tesla pozostaje zwolennikiem asynchronicznego.

Tak, te maszyny są tańsze, ale mają swoje wady, a wszyscy ludzie, którzy testowali wiele kolejnych przyspieszeń za pomocą Modelu S, powiedzą ci, jak drastycznie spada wydajność z każdą iteracją. Procesy indukcji i przepływu prądu prowadzą do nagrzewania się, a gdy maszyna nie jest chłodzona pod dużym obciążeniem, ciepło się gromadzi i jej możliwości są znacznie ograniczone. W celach ochronnych elektronika zmniejsza ilość prądu, a wydajność przyspieszania ulega pogorszeniu. I jeszcze jedno - aby mógł służyć jako generator, silnik indukcyjny musi być namagnesowany - czyli „przepuścić” prąd początkowy przez stojan, który generuje pole i prąd w wirniku, aby rozpocząć proces. Wtedy może się sam wyżywić.

Silniki asynchroniczne lub synchroniczne

Bloki synchroniczne mają znacznie wyższą wydajność i gęstość mocy. Istotną różnicą między silnikiem indukcyjnym jest to, że pole magnetyczne w wirniku nie jest indukowane przez interakcję ze stojanem, ale jest wynikiem przepływu prądu przez zainstalowane w nim dodatkowe uzwojenia lub magnesy trwałe. Zatem pole w wirniku i pole w stojanie są synchroniczne, ale maksymalna prędkość silnika zależy również odpowiednio od obrotu pola, od bieżącej częstotliwości i obciążenia. Aby uniknąć potrzeby dodatkowego zasilania uzwojeń, co zwiększa zużycie energii i komplikuje kontrolę prądu, nowoczesne pojazdy elektryczne i modele hybrydowe wykorzystują silniki elektryczne z tzw. Stałym wzbudzeniem, tj. z magnesami trwałymi. Jak już wspomniano, prawie wszyscy producenci takich samochodów obecnie używają jednostek tego typu, dlatego zdaniem wielu ekspertów nadal będzie problem z brakiem drogich pierwiastków ziem rzadkich neodymu i dysprozu. Ograniczenie ich wykorzystania jest częścią zapotrzebowania inżynierów w tej dziedzinie.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Konstrukcja rdzenia wirnika daje największy potencjał do zwiększenia wydajności maszyny elektrycznej.
Istnieją różne rozwiązania technologiczne z magnesami powierzchniowymi, wirnikiem w kształcie dysku, z magnesami wbudowanymi wewnętrznie. Interesujące jest tutaj rozwiązanie Tesli, które wykorzystuje wspomnianą technologię o nazwie Switched Reluctance Motor do napędzania tylnej osi Modelu 3. „Niechęć” lub opór magnetyczny to termin przeciwny do przewodności magnetycznej, podobny do oporności elektrycznej i przewodności elektrycznej materiałów. Silniki tego typu wykorzystują zjawisko polegające na tym, że strumień magnetyczny ma tendencję do przechodzenia przez część materiału o najmniejszym oporze magnetycznym. W rezultacie fizycznie przemieszcza materiał, przez który przepływa, aby przejść przez część z najmniejszym oporem. Efekt ten jest wykorzystywany w silniku elektrycznym do wytworzenia ruchu obrotowego - w tym celu w wirniku występują naprzemiennie materiały o różnym oporze magnetycznym: twarde (w postaci ferrytowych dysków neodymowych) i miękkie (dyski stalowe). Próbując przejść przez materiał o niższej rezystancji, strumień magnetyczny ze stojana obraca wirnik, aż znajdzie się w odpowiedniej pozycji. Dzięki kontroli prądu pole stale obraca wirnik w wygodnej pozycji. Oznacza to, że obrót nie jest inicjowany w takim stopniu przez oddziaływanie pól magnetycznych, jak tendencja pola do przepływu przez materiał z najmniejszym oporem i wynikający z tego efekt obracania się wirnika. Poprzez naprzemienne stosowanie różnych materiałów zmniejsza się liczba kosztownych komponentów.

W zależności od konstrukcji krzywa wydajności i moment obrotowy zmieniają się wraz z prędkością obrotową silnika. Początkowo silnik indukcyjny ma najniższą sprawność, a najwyższą ma magnesy powierzchniowe, ale w tym drugim gwałtownie spada wraz z prędkością. Silnik BMW i3 ma wyjątkowy charakter hybrydowy, dzięki konstrukcji łączącej magnesy trwałe i opisany powyżej efekt „niechęci”. W ten sposób silnik elektryczny osiąga wysokie poziomy stałej mocy i momentu obrotowego, które są charakterystyczne dla maszyn z wirnikiem wzbudzanym elektrycznie, ale ma znacznie niższą od nich wagę (te ostatnie są wydajne pod wieloma względami, ale nie pod względem masy). Po tym wszystkim jasne jest, że wydajność spada przy dużych prędkościach, dlatego coraz więcej producentów mówi, że skupi się na dwubiegowych przekładniach do silników elektrycznych.

Pytania i odpowiedzi:

Jakich silników używa Tesla? Wszystkie modele Tesli to pojazdy elektryczne, więc wyposażone są wyłącznie w silniki elektryczne. Prawie każdy model będzie miał pod maską 3-fazowy silnik indukcyjny prądu przemiennego.

Jak działa silnik Tesli? Asynchroniczny silnik elektryczny działa z powodu występowania pola magnetycznego pola magnetycznego spowodowanego obrotem stacjonarnego stojana. Jazda do tyłu jest zapewniona przez odwrócenie polaryzacji na cewkach rozruchowych.

Gdzie znajduje się silnik Tesli? Samochody Tesli mają napęd na tylne koła. Dlatego silnik znajduje się między wałami tylnej osi. Silnik składa się z wirnika i stojana, które stykają się ze sobą tylko poprzez łożyska.

Ile waży silnik Tesli? Waga zmontowanego silnika elektrycznego dla modeli Tesli wynosi 240 kilogramów. W zasadzie stosowana jest jedna modyfikacja silnika.