Xe điện Nikola Tesla

Động cơ điện hiệu quả hơn nhiều so với động cơ đốt trong. Tại sao và khi nào

Sự thật cơ bản là các vấn đề của xe điện có liên quan đến nguồn năng lượng, nhưng chúng có thể được nhìn nhận từ một góc độ khác. Giống như nhiều thứ trong cuộc sống mà chúng ta coi là hiển nhiên, động cơ điện và hệ thống điều khiển trong xe điện được coi là thiết bị hiệu quả và đáng tin cậy nhất trên những phương tiện này. Tuy nhiên, để đạt được trạng thái này, họ đã trải qua một chặng đường dài trong quá trình tiến hóa - từ việc khám phá ra mối liên hệ giữa điện và từ cho đến việc biến nó thành một lực cơ học một cách hiệu quả. Chủ đề này thường bị đánh giá thấp trong bối cảnh nói về sự phát triển công nghệ của động cơ đốt trong, nhưng nó ngày càng trở nên cần thiết để nói nhiều hơn về cỗ máy gọi là động cơ điện.

Một hoặc hai động cơ

Nếu bạn nhìn vào biểu đồ hiệu suất của một động cơ điện, bất kể loại của nó, bạn sẽ nhận thấy rằng nó có hiệu suất trên 85 phần trăm, thường là trên 90 phần trăm và nó hoạt động hiệu quả nhất ở mức tải khoảng 75 phần trăm. tối đa. Khi công suất và kích thước của động cơ điện tăng lên, phạm vi hiệu suất sẽ mở rộng tương ứng, nơi nó có thể đạt mức tối đa sớm hơn - đôi khi ở mức tải 20 phần trăm. Tuy nhiên, có một mặt khác của đồng xu - mặc dù phạm vi mở rộng của hiệu suất cao hơn, việc sử dụng các động cơ rất mạnh với tải rất thấp một lần nữa có thể dẫn đến việc thường xuyên đi vào vùng hiệu suất thấp. Do đó, các quyết định liên quan đến kích thước, công suất, số lượng (một hoặc hai) và việc sử dụng (một hoặc hai tùy thuộc vào tải) của động cơ điện là các quy trình nằm trong công việc thiết kế khi chế tạo ô tô. Trong bối cảnh này, có thể hiểu tại sao tốt hơn là nên có hai động cơ thay vì một động cơ rất mạnh, cụ thể là để nó không thường xuyên đi vào các khu vực có hiệu suất thấp và do khả năng tắt động cơ khi tải thấp. Do đó, khi tải một phần, chẳng hạn như trong Tesla Model 3 Performance, chỉ động cơ phía sau được sử dụng. Ở các phiên bản kém mạnh mẽ hơn, nó là cái duy nhất và ở các phiên bản năng động hơn, cái không đồng bộ được kết nối với trục trước. Đây là một ưu điểm khác của xe điện - có thể tăng công suất dễ dàng hơn, các chế độ được sử dụng tùy thuộc vào yêu cầu hiệu quả và hệ truyền động kép là một tác dụng phụ hữu ích. Tuy nhiên, hiệu suất thấp hơn ở mức tải thấp không ngăn cản được thực tế là, không giống như động cơ đốt trong, động cơ điện tạo ra lực đẩy ở tốc độ bằng không do nguyên tắc hoạt động và tương tác giữa các từ trường khác nhau cơ bản ngay cả trong những điều kiện như vậy. Thực tế hiệu quả nói trên là trọng tâm của thiết kế động cơ và các chế độ vận hành - như chúng tôi đã nói, một động cơ quá khổ liên tục chạy ở mức tải thấp sẽ không hiệu quả.

Với sự phát triển nhanh chóng của phương tiện di chuyển bằng điện, sự đa dạng về sản xuất động cơ ngày càng mở rộng. Ngày càng có nhiều thỏa thuận và thỏa thuận đang được phát triển, theo đó một số nhà sản xuất như BMW và VW thiết kế và sản xuất ô tô của riêng họ, những nhà sản xuất khác mua cổ phần của các công ty liên quan đến hoạt động kinh doanh này và những nhà sản xuất khác vẫn thuê ngoài các nhà cung cấp như Bosch. Trong hầu hết các trường hợp, nếu bạn đọc thông số kỹ thuật của kiểu máy chạy bằng điện, bạn sẽ thấy rằng động cơ của nó là "đồng bộ nam châm vĩnh cửu AC". Tuy nhiên, nhà tiên phong Tesla sử dụng các giải pháp khác theo hướng này - động cơ không đồng bộ trong tất cả các kiểu máy trước đó và sự kết hợp của cái gọi là không đồng bộ. “Động cơ chuyển đổi điện trở làm ổ trục sau trong mẫu 3 Performance. Ở những phiên bản rẻ hơn chỉ có hệ dẫn động cầu sau, nó là chiếc duy nhất. Audi cũng đang sử dụng động cơ cảm ứng cho mẫu q-tron và sự kết hợp giữa động cơ đồng bộ và không đồng bộ cho mẫu e-tron Q4 sắp ra mắt. Nó thực sự là về cái gì?

Xe điện Nikola Tesla

Việc Nikola Tesla phát minh ra động cơ điện không đồng bộ hay nói cách khác là động cơ điện "không đồng bộ" (trở lại vào cuối thế kỷ 19) không có mối liên hệ trực tiếp nào với thực tế rằng các mẫu xe Tesla Motors là một trong số ít những chiếc xe chạy bằng một cỗ máy như vậy. ... Trên thực tế, nguyên tắc hoạt động của động cơ Tesla đã trở nên phổ biến hơn vào những năm 60, khi các thiết bị bán dẫn dần ló dạng dưới ánh mặt trời, và kỹ sư người Mỹ Alan Coconi đã phát triển bộ biến tần bán dẫn di động có thể chuyển pin dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC. ) theo yêu cầu đối với động cơ cảm ứng và ngược lại (đang trong quá trình phục hồi). Sự kết hợp giữa bộ biến tần (còn được gọi là bộ chuyển đổi kỹ thuật) và động cơ điện do Coconi phát triển đã trở thành nền tảng cho GM EV1 khét tiếng và ở dạng tinh tế hơn, chiếc tZERO thể thao. Bằng cách tương tự với việc tìm kiếm các kỹ sư Nhật Bản của Toyota trong quá trình tạo ra Prius và phát hiện ra bằng sáng chế TRW, những người sáng tạo ra Tesla đã phát hiện ra chiếc xe tZERO. Cuối cùng, họ đã mua một giấy phép tZero và sử dụng nó để chế tạo một chiếc roadster.
Ưu điểm lớn nhất của động cơ cảm ứng là nó không sử dụng nam châm vĩnh cửu và không cần kim loại đắt tiền hoặc quý hiếm, cũng thường được khai thác trong những điều kiện tạo ra tình huống khó xử về đạo đức cho người tiêu dùng. Tuy nhiên, cả động cơ đồng bộ không đồng bộ và nam châm vĩnh cửu đều sử dụng đầy đủ các tiến bộ công nghệ trong thiết bị bán dẫn, cũng như trong việc tạo ra các MOSFET với các bóng bán dẫn hiệu ứng trường và các bóng bán dẫn cách ly lưỡng cực (IGBT) gần đây. Chính sự tiến bộ này giúp chúng ta có thể tạo ra các thiết bị biến tần nhỏ gọn được đề cập và nói chung là tất cả các thiết bị điện tử công suất trong xe điện. Có vẻ tầm thường khi khả năng chuyển đổi hiệu quả từ pin DC sang AC 150 pha và ngược lại phần lớn là do những tiến bộ trong công nghệ điều khiển, nhưng cần lưu ý rằng dòng điện trong điện tử công suất đạt mức cao hơn nhiều lần so với bình thường trong gia đình. mạng điện, và giá trị thường vượt quá XNUMX ampe. Điều này tạo ra rất nhiều nhiệt mà các thiết bị điện tử công suất phải xử lý.

Nhưng quay lại vấn đề động cơ điện. Giống như động cơ đốt trong, chúng có thể được phân loại thành nhiều cấp độ khác nhau, và "thời điểm" là một trong số đó. Trên thực tế, đây là hệ quả của một cách tiếp cận mang tính xây dựng khác quan trọng hơn nhiều về sự tạo ra và tương tác của từ trường. Mặc dù thực tế rằng nguồn điện trong người của pin là dòng điện một chiều, các nhà thiết kế hệ thống điện thậm chí không tính đến việc sử dụng động cơ DC. Ngay cả khi tính đến tổn thất chuyển đổi, các tổ máy AC và đặc biệt là các tổ máy đồng bộ vượt trội hơn so với các phần tử DC. Vậy thực chất động cơ đồng bộ hay không đồng bộ có nghĩa là gì?

Công ty động cơ ô tô điện

Cả động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ đều thuộc loại máy điện từ trường quay có mật độ công suất lớn hơn. Nói chung, rôto cảm ứng bao gồm một chồng đơn giản gồm các tấm rắn, thanh kim loại nhôm hoặc đồng (ngày càng được sử dụng nhiều trong thời gian gần đây) với các cuộn dây trong một vòng kín. Dòng điện chạy trong các cuộn dây stato theo các cặp ngược chiều, với dòng điện từ một trong ba pha chạy trong mỗi cặp. Vì trong mỗi cái đó nó bị lệch pha 120 độ so với cái kia nên được gọi là từ trường quay. Sự giao nhau của các cuộn dây rôto với đường sức của từ trường do stato tạo ra dẫn đến dòng điện chạy trong rôto, tương tự như tương tác trên máy biến áp.
Từ trường tạo ra tương tác với "quay" trong stato, dẫn đến lực bám cơ học của rôto và quay sau đó. Tuy nhiên, với loại động cơ điện này, rôto luôn luôn trễ hơn từ trường, vì nếu không có chuyển động tương đối giữa từ trường và rôto thì trong rôto sẽ không có từ trường. Do đó, mức tốc độ tối đa được xác định bởi tần số của dòng điện cung cấp và tải. Tuy nhiên, do hiệu suất cao hơn của động cơ đồng bộ, hầu hết các nhà sản xuất đều bám vào chúng, nhưng vì một số lý do trên, Tesla vẫn là người ủng hộ động cơ không đồng bộ.

Vâng, những chiếc máy này rẻ hơn, nhưng chúng có nhược điểm và tất cả những người đã thử nghiệm nhiều lần tăng tốc liên tiếp với Model S sẽ cho bạn biết hiệu suất giảm mạnh như thế nào sau mỗi lần lặp lại. Các quá trình cảm ứng và dòng điện dẫn đến sự nóng lên, và khi máy không được làm mát dưới tải cao, nhiệt sẽ tích tụ và khả năng của nó giảm đi đáng kể. Vì mục đích bảo vệ, các thiết bị điện tử giảm lượng dòng điện và hiệu suất tăng tốc bị suy giảm. Và một điều nữa - để được sử dụng làm máy phát điện, động cơ cảm ứng phải được từ hóa - nghĩa là "truyền" dòng điện ban đầu qua stato, tạo ra trường và dòng điện trong rôto để bắt đầu quá trình. Sau đó anh ta có thể tự ăn.

Động cơ không đồng bộ hoặc đồng bộ

Các thiết bị đồng bộ có hiệu suất và mật độ công suất cao hơn đáng kể. Một sự khác biệt đáng kể giữa động cơ cảm ứng là từ trường trong rôto không phải do tương tác với stato tạo ra, mà là kết quả của dòng điện chạy qua các cuộn dây bổ sung được lắp đặt trong nó, hoặc nam châm vĩnh cửu. Do đó, trường trong rôto và trường trong stato là đồng bộ, nhưng tốc độ cực đại của động cơ cũng phụ thuộc vào vòng quay của trường, tương ứng vào tần số dòng điện và tải. Để tránh nhu cầu cung cấp điện bổ sung cho các cuộn dây, làm tăng điện năng tiêu thụ và làm phức tạp việc điều khiển dòng điện, động cơ điện với cái gọi là kích thích liên tục được sử dụng trong các loại xe điện hiện đại và các mẫu xe hybrid. bằng nam châm vĩnh cửu. Như đã đề cập, hầu hết các nhà sản xuất loại xe này hiện đang sử dụng loại xe này, do đó, theo nhiều chuyên gia, sẽ vẫn còn tồn tại vấn đề thiếu hụt neodymium và dysprosi đất hiếm đắt tiền. Giảm việc sử dụng chúng là một phần của nhu cầu từ các kỹ sư trong lĩnh vực này.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Thiết kế của lõi rôto mang lại tiềm năng lớn nhất để cải thiện hiệu suất của máy điện.
Có nhiều giải pháp công nghệ khác nhau với nam châm gắn trên bề mặt, rôto hình đĩa, với nam châm tích hợp bên trong. Điều thú vị ở đây là giải pháp của Tesla, sử dụng công nghệ đã nói ở trên có tên là Động cơ từ trở chuyển đổi để dẫn động trục sau của Model 3. "Điện trở", hay điện trở từ, là một thuật ngữ đối lập với độ dẫn từ, tương tự như điện trở và độ dẫn điện của vật liệu. Động cơ loại này khai thác hiện tượng trong đó từ thông có xu hướng đi qua phần vật liệu có điện trở từ nhỏ nhất. Kết quả là, nó sẽ dịch chuyển vật liệu mà nó đang chảy qua để đi qua phần có lực cản ít nhất. Hiệu ứng này được sử dụng trong động cơ điện để tạo ra chuyển động quay - đối với điều này, các vật liệu có điện trở từ khác nhau xen kẽ trong rôto: cứng (ở dạng đĩa neodymium ferrite) và mềm (đĩa thép). Trong nỗ lực đi qua vật liệu có điện trở thấp hơn, từ thông từ stato làm quay rôto cho đến khi nó được định vị để làm như vậy. Với điều khiển hiện tại, trường liên tục quay rôto ở vị trí thoải mái. Nghĩa là, chuyển động quay không bắt đầu ở mức độ như vậy bởi sự tương tác của từ trường vì xu hướng của trường chạy qua vật liệu có điện trở nhỏ nhất và kết quả là hiệu ứng quay của rôto. Bằng cách xen kẽ các vật liệu khác nhau, số lượng các thành phần đắt tiền sẽ giảm.

Tùy thuộc vào thiết kế, đường cong hiệu suất và mô-men xoắn thay đổi theo tốc độ động cơ. Ban đầu, động cơ cảm ứng có hiệu suất thấp nhất và cao nhất có nam châm bề mặt, nhưng về sau nó giảm mạnh theo tốc độ. Động cơ BMW i3 có đặc tính hybrid độc đáo nhờ thiết kế kết hợp nam châm vĩnh cửu và hiệu ứng "lực miễn cưỡng" được mô tả ở trên. Do đó, động cơ điện đạt được mức công suất và mô-men xoắn không đổi cao, đặc trưng của máy có rôto kích thích bằng điện, nhưng có trọng lượng nhẹ hơn đáng kể so với chúng (loại sau hiệu quả về nhiều mặt, nhưng không phải về trọng lượng). Sau tất cả những điều này, rõ ràng là hiệu suất đang giảm ở tốc độ cao, đó là lý do tại sao ngày càng nhiều nhà sản xuất cho biết họ sẽ tập trung vào hộp số hai tốc độ cho động cơ điện.

Câu hỏi và trả lời:

Tesla sử dụng động cơ nào? Tất cả các mẫu xe Tesla đều là xe điện nên chúng được trang bị riêng động cơ điện. Hầu hết mọi mô hình sẽ có một động cơ cảm ứng xoay chiều 3 pha dưới mui xe.

Động cơ Tesla hoạt động như thế nào? Động cơ điện không đồng bộ hoạt động do xuất hiện EMF do từ trường quay trong stato đứng yên. Hành trình ngược được cung cấp bởi sự đảo cực trên các cuộn dây của bộ khởi động.

Động cơ Tesla nằm ở đâu? Xe Tesla dẫn động cầu sau. Do đó, động cơ nằm giữa trục cầu sau. Động cơ bao gồm rôto và stato, chúng chỉ tiếp xúc với nhau qua các ổ trục.

Động cơ Tesla nặng bao nhiêu? Trọng lượng của động cơ điện lắp ráp cho các mẫu xe Tesla là 240 kg. Về cơ bản, một sửa đổi động cơ được sử dụng.