Ηλεκτρικό αυτοκίνητο της Nikola Tesla

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες είναι πολύ πιο αποδοτικοί από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης. Γιατί και πότε

Η βασική αλήθεια είναι ότι τα προβλήματα των ηλεκτρικών οχημάτων σχετίζονται με την πηγή ενέργειας, αλλά μπορούν να τα δούμε από διαφορετική οπτική γωνία. Όπως πολλά πράγματα στη ζωή που θεωρούμε δεδομένα, ο ηλεκτροκινητήρας και το σύστημα ελέγχου στα ηλεκτρικά οχήματα θεωρούνται η πιο αποτελεσματική και αξιόπιστη συσκευή σε αυτά τα οχήματα. Ωστόσο, για να επιτύχουν αυτή την κατάσταση πραγμάτων, έχουν διανύσει πολύ δρόμο στην εξέλιξη - από την ανακάλυψη της σύνδεσης μεταξύ του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού μέχρι την αποτελεσματική μετατροπή του σε μηχανική δύναμη. Αυτό το θέμα συχνά υποτιμάται στο πλαίσιο της συζήτησης για την τεχνολογική εξέλιξη του κινητήρα εσωτερικής καύσης, αλλά γίνεται όλο και πιο απαραίτητο να μιλήσουμε περισσότερο για το μηχάνημα που ονομάζεται ηλεκτροκινητήρας.

Ένας ή δύο κινητήρες

Αν κοιτάξετε το γράφημα απόδοσης ενός ηλεκτροκινητήρα, ανεξάρτητα από τον τύπο του, θα παρατηρήσετε ότι είναι πάνω από 85 τοις εκατό απόδοση, συχνά πάνω από 90 τοις εκατό, και ότι είναι στο πιο αποδοτικό του με περίπου 75 τοις εκατό φορτίο. ανώτατο όριο. Καθώς η ισχύς και το μέγεθος του ηλεκτροκινητήρα αυξάνονται, το εύρος απόδοσης επεκτείνεται ανάλογα, όπου μπορεί να φτάσει στο μέγιστο ακόμη νωρίτερα - μερικές φορές με φορτίο 20 τοις εκατό. Ωστόσο, υπάρχει και η άλλη πλευρά του νομίσματος - παρά το εκτεταμένο εύρος υψηλότερης απόδοσης, η χρήση πολύ ισχυρών κινητήρων με πολύ χαμηλό φορτίο μπορεί και πάλι να οδηγήσει σε συχνή είσοδο στη ζώνη χαμηλής απόδοσης. Επομένως, οι αποφάσεις σχετικά με το μέγεθος, την ισχύ, τον αριθμό (ένα ή δύο) και τη χρήση (ένας ή δύο ανάλογα με το φορτίο) των ηλεκτροκινητήρων είναι διαδικασίες που αποτελούν μέρος των εργασιών σχεδιασμού στην κατασκευή ενός αυτοκινήτου. Σε αυτό το πλαίσιο, είναι κατανοητό γιατί είναι προτιμότερο να έχουμε δύο κινητήρες αντί για έναν πολύ ισχυρό, δηλαδή για να μην εισέρχεται συχνά σε περιοχές χαμηλής απόδοσης και λόγω της δυνατότητας απενεργοποίησης σε χαμηλά φορτία. Επομένως, σε μερικό φορτίο, για παράδειγμα, στο Tesla Model 3 Performance, χρησιμοποιείται μόνο ο πίσω κινητήρας. Σε λιγότερο ισχυρές εκδόσεις είναι η μοναδική και σε πιο δυναμικές εκδόσεις η ασύγχρονη συνδέεται με τον μπροστινό άξονα. Αυτό είναι ένα άλλο πλεονέκτημα των ηλεκτρικών οχημάτων - η ισχύς μπορεί να αυξηθεί πιο εύκολα, οι λειτουργίες χρησιμοποιούνται ανάλογα με τις απαιτήσεις απόδοσης και τα διπλά κινητήρια σύνολα είναι μια χρήσιμη παρενέργεια. Ωστόσο, η χαμηλότερη απόδοση σε χαμηλό φορτίο δεν εμποδίζει το γεγονός ότι, σε αντίθεση με έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης, ένας ηλεκτροκινητήρας παράγει ώθηση με μηδενική ταχύτητα λόγω της θεμελιωδώς διαφορετικής αρχής λειτουργίας και αλληλεπίδρασης μεταξύ μαγνητικών πεδίων ακόμη και υπό τέτοιες συνθήκες. Το προαναφερθέν γεγονός της απόδοσης βρίσκεται στο επίκεντρο του σχεδιασμού του κινητήρα και των τρόπων λειτουργίας - όπως είπαμε, ένας υπερμεγέθης κινητήρας που λειτουργεί συνεχώς με χαμηλό φορτίο θα ήταν αναποτελεσματικός.

Με την ταχεία ανάπτυξη της ηλεκτρικής κινητικότητας, η ποικιλομορφία όσον αφορά την παραγωγή κινητήρων διευρύνεται. Όλο και περισσότερες συμφωνίες και ρυθμίσεις αναπτύσσονται, σύμφωνα με τις οποίες ορισμένοι κατασκευαστές, όπως η BMW και η VW, σχεδιάζουν και κατασκευάζουν τα δικά τους αυτοκίνητα, άλλοι αγοράζουν μετοχές σε εταιρείες που σχετίζονται με αυτήν την επιχείρηση και άλλοι αναθέτουν σε προμηθευτές όπως η Bosch. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αν διαβάσετε τις προδιαγραφές ενός ηλεκτροκίνητου μοντέλου, θα διαπιστώσετε ότι ο κινητήρας του είναι "Σύγχρονος μόνιμος μαγνήτης AC". Ωστόσο, ο πρωτοπόρος Tesla χρησιμοποιεί άλλες λύσεις προς αυτή την κατεύθυνση - ασύγχρονους κινητήρες σε όλα τα προηγούμενα μοντέλα και συνδυασμό ασύγχρονων και λεγόμενων. «Μοτέρ μεταγωγής αντίστασης ως κίνηση στον πίσω άξονα στο μοντέλο 3 Performance. Σε φθηνότερες εκδόσεις μόνο με κίνηση στους πίσω τροχούς είναι το μοναδικό. Η Audi χρησιμοποιεί επίσης επαγωγικούς κινητήρες για το μοντέλο q-tron και συνδυασμό σύγχρονων και ασύγχρονων κινητήρων για το επερχόμενο e-tron Q4. Τι ακριβώς πρόκειται;

Ηλεκτρικό αυτοκίνητο της Nikola Tesla

Το γεγονός ότι ο Nikola Tesla εφηύρε τον ασύγχρονο ή, με άλλα λόγια, τον "ασύγχρονο" ηλεκτροκινητήρα (στα τέλη του 19ου αιώνα) δεν έχει άμεση σχέση με το γεγονός ότι τα μοντέλα της Tesla Motors είναι ένα από τα λίγα αυτοκίνητα που κινούνται από ένα τέτοιο μηχάνημα .... Στην πραγματικότητα, η αρχή λειτουργίας του κινητήρα Tesla έγινε πιο δημοφιλής στη δεκαετία του '60, όταν οι συσκευές ημιαγωγών εμφανίζονταν σταδιακά κάτω από τον ήλιο και ο Αμερικανός μηχανικός Alan Coconi ανέπτυξε φορητούς μετατροπείς ημιαγωγών που μπορούν να μετατρέψουν μπαταρίες συνεχούς ρεύματος (DC) σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC). ) όπως απαιτείται για έναν επαγωγικό κινητήρα και αντίστροφα (στη διαδικασία ανάκτησης). Αυτός ο συνδυασμός ενός μετατροπέα (επίσης γνωστού ως μηχανικός μετατροπέας) και ενός ηλεκτροκινητήρα που αναπτύχθηκε από την Coconi έγινε η βάση για το διαβόητο GM EV1 και, σε πιο εκλεπτυσμένη μορφή, το σπορ tZERO. Σε αναλογία με την αναζήτηση Ιαπώνων μηχανικών από την Toyota κατά τη δημιουργία του Prius και την ανακάλυψη του διπλώματος ευρεσιτεχνίας TRW, οι δημιουργοί του Tesla ανακάλυψαν το αυτοκίνητο tZERO. Τελικά, αγόρασαν μια άδεια tZero και την χρησιμοποίησαν για να φτιάξουν ένα roadster.
Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα ενός επαγωγικού κινητήρα είναι ότι δεν χρησιμοποιεί μόνιμους μαγνήτες και δεν χρειάζεται ακριβά ή σπάνια μέταλλα, τα οποία επίσης εξορύσσονται συχνά σε συνθήκες που δημιουργούν ηθικά διλήμματα για τους καταναλωτές. Ωστόσο, τόσο οι ασύγχρονοι όσο και οι σύγχρονοι μαγνήτες μόνιμου μαγνήτη αξιοποιούν πλήρως τις τεχνολογικές εξελίξεις σε συσκευές ημιαγωγών, καθώς και στη δημιουργία MOSFET με τρανζίστορ εφέ πεδίου και μεταγενέστερα τρανζίστορ διπολικής απομόνωσης (IGBTs). Αυτή η πρόοδος καθιστά δυνατή τη δημιουργία των αναφερόμενων συμπαγών συσκευών μετατροπέα και, γενικά, όλων των ηλεκτρονικών ισχύος σε ηλεκτρικά οχήματα. Μπορεί να φαίνεται ασήμαντο ότι η ικανότητα αποτελεσματικής μετατροπής DC σε τριφασικές μπαταρίες AC και το αντίστροφο οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην πρόοδο της τεχνολογίας ελέγχου, αλλά πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι το ρεύμα στα ηλεκτρονικά ισχύος φτάνει τα επίπεδα πολλές φορές υψηλότερα από το συνηθισμένο στο νοικοκυριό ηλεκτρικό δίκτυο και συχνά οι τιμές υπερβαίνουν τα 150 αμπέρ. Αυτό παράγει πολλή θερμότητα που πρέπει να αντιμετωπίσει η ηλεκτρονική δύναμη.

Αλλά πίσω στο ζήτημα των ηλεκτρικών κινητήρων. Όπως και οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, μπορούν να ταξινομηθούν σε διαφορετικά προσόντα, και το "χρονοδιάγραμμα" είναι ένα από αυτά. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι συνέπεια μιας πολύ πιο σημαντικής διαφορετικής εποικοδομητικής προσέγγισης όσον αφορά τη δημιουργία και την αλληλεπίδραση μαγνητικών πεδίων. Παρά το γεγονός ότι η πηγή ηλεκτρικής ενέργειας στο πρόσωπο της μπαταρίας είναι συνεχές ρεύμα, οι σχεδιαστές ηλεκτρικών συστημάτων δεν σκέφτονται καν να χρησιμοποιούν κινητήρες DC. Ακόμη και αν ληφθούν υπόψη οι απώλειες μετατροπής, οι μονάδες AC και ιδιαίτερα οι σύγχρονες μονάδες ξεπερνούν τον ανταγωνισμό με τα στοιχεία DC. Τι σημαίνει λοιπόν ένας σύγχρονος ή ασύγχρονος κινητήρας;

Εταιρεία ηλεκτρικών αυτοκινήτων

Τόσο οι σύγχρονοι όσο και οι ασύγχρονοι κινητήρες είναι του τύπου περιστρεφόμενες ηλεκτρικές μηχανές μαγνητικού πεδίου που έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος. Γενικά, ένας επαγωγικός ρότορας αποτελείται από μια απλή στοίβα από στερεά φύλλα, μεταλλικές ράβδους αλουμινίου ή χαλκού (χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο τα τελευταία χρόνια) με πηνία σε κλειστό βρόχο. Το ρεύμα ρέει στις περιελίξεις του στάτη σε αντίθετα ζεύγη, με ρεύμα από μία από τις τρεις φάσεις που ρέει σε κάθε ζεύγος. Δεδομένου ότι σε καθένα από αυτά μετατοπίζεται σε φάση κατά 120 μοίρες σε σχέση με τον άλλο, το λεγόμενο περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Η τομή των περιελίξεων του ρότορα με γραμμές του μαγνητικού πεδίου από το πεδίο που δημιουργείται από τον στάτορα οδηγεί στη ροή του ρεύματος στον ρότορα, παρόμοια με την αλληλεπίδραση σε έναν μετασχηματιστή.
Το προκύπτον μαγνητικό πεδίο αλληλεπιδρά με το "περιστρεφόμενο" στον στάτορα, το οποίο οδηγεί σε μηχανική πρόσφυση του ρότορα και στη συνέχεια περιστροφή. Ωστόσο, με αυτόν τον τύπο ηλεκτρικού κινητήρα, ο ρότορας υστερεί πάντα πίσω από το πεδίο, επειδή εάν δεν υπάρχει σχετική κίνηση μεταξύ του πεδίου και του ρότορα, δεν θα προκληθεί μαγνητικό πεδίο στο ρότορα. Έτσι, το μέγιστο επίπεδο ταχύτητας καθορίζεται από τη συχνότητα ρεύματος τροφοδοσίας και το φορτίο. Ωστόσο, λόγω της υψηλότερης απόδοσης των σύγχρονων κινητήρων, οι περισσότεροι κατασκευαστές εμμένουν σε αυτούς, αλλά για μερικούς από τους παραπάνω λόγους, η Tesla παραμένει υποστηρικτής των ασύγχρονων κινητήρων.

Ναι, αυτά τα μηχανήματα είναι φθηνότερα, αλλά έχουν τα μειονεκτήματά τους και όλοι οι άνθρωποι που έχουν δοκιμάσει πολλαπλές διαδοχικές επιταχύνσεις με το Model S θα σας πουν πώς η απόδοση μειώνεται δραστικά με κάθε επανάληψη. Οι διαδικασίες επαγωγής και η ροή του ρεύματος οδηγούν σε θέρμανση και όταν το μηχάνημα δεν ψύχεται υπό υψηλό φορτίο, συσσωρεύεται θερμότητα και οι δυνατότητές του μειώνονται σημαντικά. Για λόγους προστασίας, τα ηλεκτρονικά μειώνουν την ποσότητα του ρεύματος και η απόδοση της επιτάχυνσης υποβαθμίζεται. Και κάτι ακόμα - για να χρησιμοποιηθεί ως γεννήτρια, ο κινητήρας επαγωγής πρέπει να μαγνητιστεί - δηλαδή να "περάσει" το αρχικό ρεύμα μέσα από τον στάτορα, ο οποίος δημιουργεί το πεδίο και το ρεύμα στον ρότορα για να ξεκινήσει η διαδικασία. Τότε μπορεί να τραφεί μόνος του.

Ασύγχρονοι ή σύγχρονοι κινητήρες

Οι σύγχρονες μονάδες έχουν σημαντικά υψηλότερη απόδοση και πυκνότητα ισχύος. Μια σημαντική διαφορά μεταξύ ενός επαγωγικού κινητήρα είναι ότι το μαγνητικό πεδίο στον ρότορα δεν προκαλείται από αλληλεπίδραση με τον στάτορα, αλλά είναι το αποτέλεσμα του ρεύματος που ρέει μέσω των πρόσθετων περιελίξεων που είναι εγκατεστημένοι σε αυτόν, ή μόνιμων μαγνητών. Έτσι, το πεδίο στο ρότορα και το πεδίο στο στάτορα είναι σύγχρονα, αλλά η μέγιστη ταχύτητα κινητήρα εξαρτάται επίσης από την περιστροφή του πεδίου, αντίστοιχα από την τρέχουσα συχνότητα και φορτίο. Για να αποφευχθεί η ανάγκη για πρόσθετη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος στις περιελίξεις, η οποία αυξάνει την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και περιπλέκει τον έλεγχο του ρεύματος, οι ηλεκτρικοί κινητήρες με τη λεγόμενη συνεχή διέγερση χρησιμοποιούνται σε σύγχρονα ηλεκτρικά οχήματα και υβριδικά μοντέλα. με μόνιμους μαγνήτες. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, σχεδόν όλοι οι κατασκευαστές τέτοιων οχημάτων χρησιμοποιούν επί του παρόντος αυτούς τους τύπους μονάδων, επομένως, σύμφωνα με πολλούς ειδικούς, θα εξακολουθεί να υπάρχει πρόβλημα με την έλλειψη ακριβά νεοδυμίου και δυσπροσίων σπάνιων γαιών. Η μείωση της χρήσης τους αποτελεί μέρος της ζήτησης από μηχανικούς σε αυτόν τον τομέα.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Ο σχεδιασμός του πυρήνα του ρότορα προσφέρει τη μεγαλύτερη δυνατότητα βελτίωσης της απόδοσης μιας ηλεκτρικής μηχανής.
Υπάρχουν διάφορες τεχνολογικές λύσεις με επιφανειακούς μαγνήτες, ρότορα σε σχήμα δίσκου, με εσωτερικά ενσωματωμένους μαγνήτες. Ενδιαφέρουσα εδώ είναι η λύση της Tesla, η οποία χρησιμοποιεί την προαναφερθείσα τεχνολογία που ονομάζεται Switched Reluctance Motor για να οδηγεί τον πίσω άξονα του Model 3. Η "απροθυμία", ή μαγνητική αντίσταση, είναι ένας όρος αντίθετος με τη μαγνητική αγωγιμότητα, παρόμοιος με την ηλεκτρική αντίσταση και την ηλεκτρική αγωγιμότητα των υλικών. Οι κινητήρες αυτού του τύπου χρησιμοποιούν το φαινόμενο ότι η μαγνητική ροή τείνει να διέρχεται από το τμήμα του υλικού με τη μικρότερη μαγνητική αντίσταση. Ως αποτέλεσμα, μετατοπίζει φυσικά το υλικό από το οποίο ρέει για να περάσει από το τμήμα με τη μικρότερη αντίσταση. Αυτό το εφέ χρησιμοποιείται σε έναν ηλεκτρικό κινητήρα για να δημιουργήσει μια περιστροφική κίνηση - για αυτό, υλικά με διαφορετική μαγνητική αντίσταση εναλλάσσονται στον ρότορα: σκληρά (με τη μορφή δίσκων νεοδυμίου φερρίτη) και μαλακά (δίσκοι από χάλυβα). Σε μια προσπάθεια να περάσει μέσα από υλικό χαμηλότερης αντίστασης, η μαγνητική ροή από τον στάτορα περιστρέφει τον ρότορα μέχρι να τοποθετηθεί για να το κάνει. Με τον έλεγχο ρεύματος, το πεδίο περιστρέφει συνεχώς τον ρότορα σε μια άνετη θέση. Δηλαδή, η περιστροφή δεν ξεκινά σε τέτοιο βαθμό από την αλληλεπίδραση των μαγνητικών πεδίων όπως η τάση του πεδίου να ρέει μέσα από το υλικό με τη μικρότερη αντίσταση και το αποτέλεσμα της περιστροφής του ρότορα. Με την εναλλαγή διαφορετικών υλικών, μειώνεται ο αριθμός των ακριβών εξαρτημάτων.

Ανάλογα με τη σχεδίαση, η καμπύλη απόδοσης και η ροπή αλλάζουν με τις στροφές του κινητήρα. Αρχικά, ο κινητήρας επαγωγής έχει τη χαμηλότερη απόδοση και ο υψηλότερος έχει επιφανειακούς μαγνήτες, αλλά στον τελευταίο μειώνεται απότομα με την ταχύτητα. Ο κινητήρας BMW i3 έχει έναν μοναδικό υβριδικό χαρακτήρα, χάρη σε μια σχεδίαση που συνδυάζει μόνιμους μαγνήτες και το φαινόμενο "απροθυμίας" που περιγράφηκε παραπάνω. Έτσι, ο ηλεκτροκινητήρας επιτυγχάνει τα υψηλά επίπεδα σταθερής ισχύος και ροπής που είναι χαρακτηριστικά των μηχανών με ηλεκτρικά διεγερμένο ρότορα, αλλά έχει σημαντικά μικρότερο βάρος από αυτούς (οι τελευταίοι είναι αποτελεσματικοί από πολλές απόψεις, αλλά όχι ως προς το βάρος). Μετά από όλα αυτά, είναι σαφές ότι η απόδοση μειώνεται στις υψηλές ταχύτητες, γι' αυτό όλο και περισσότεροι κατασκευαστές λένε ότι θα επικεντρωθούν στα κιβώτια δύο ταχυτήτων για ηλεκτροκινητήρες.

Ερωτήσεις και απαντήσεις:

Ποιους κινητήρες χρησιμοποιεί η Tesla; Όλα τα μοντέλα της Tesla είναι ηλεκτρικά οχήματα, επομένως είναι εξοπλισμένα αποκλειστικά με ηλεκτρικούς κινητήρες. Σχεδόν κάθε μοντέλο θα έχει έναν 3-φασικό κινητήρα επαγωγής AC κάτω από την κουκούλα.

Πώς λειτουργεί ένας κινητήρας Tesla; Ένας ασύγχρονος ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί λόγω της εμφάνισης EMF λόγω της περιστροφής σε ένα ακίνητο στάτορα ενός μαγνητικού πεδίου. Η αντίστροφη διαδρομή παρέχεται από την αντιστροφή πολικότητας στα πηνία εκκίνησης.

Πού βρίσκεται ο κινητήρας της Tesla; Τα αυτοκίνητα Tesla είναι πισωκίνητα. Επομένως, ο κινητήρας βρίσκεται ανάμεσα στους άξονες του πίσω άξονα. Ο κινητήρας αποτελείται από έναν ρότορα και έναν στάτορα, τα οποία έρχονται σε επαφή μεταξύ τους μόνο μέσω ρουλεμάν.

Πόσο ζυγίζει ένας κινητήρας Tesla; Το βάρος του συναρμολογημένου ηλεκτροκινητήρα για τα μοντέλα Tesla είναι 240 κιλά. Βασικά χρησιμοποιείται μία τροποποίηση κινητήρα.