Электродвигатель тесла принцип работы: Tesla Model S — Как это работает

Tesla Model S — Как это работает

Так сложилось, что в рубрике «Космоddrом» почти ни одна статья не проходит без упоминания несомненно любимого всеми нами господина Илона Маска. Он действительно является одной из самых харизматичных фигур в современном мире науки и техники, а его компании Tesla и SpaceX впечатляют своей деятельностью. Учитывая большой интерес к персоне Маска и его детищам, я решил  поближе познакомить вас с ними в рамках нашей новой рубрики «Как это работает». И в сегодняшней статье речь пойдет о текущем флагмане Tesla, Model S.

Думаю, ни для кого не секрет, что Tesla производит электромобили. Вряд ли найдется много желающих оспорить тот факт, что Model S, являющаяся «лицом компании» на данный момент, — лучший представитель наземных транспортных средств, работающих исключительно на электричестве. Давайте же разбираться, как он работает.

В отличие от привычных нам автомобилей, у Model S нет большого и тяжелого двигателя, ведь взрывать бензин и преобразовывать энергию во вращение колес нет необходимости. Вместо этого индукционный электродвигатель размером с арбуз расположен между задними колесами. Создатели утверждают, что эффективность преобразования энергии в движение такой силовой установкой в 3 раза выше, чем у стандартного двигателя внутреннего сгорания.

Снизу автомобиля поместились батареи. В зависимости от комплектации емкость может варьироваться от 60 кВт*ч до 85 кВт*ч. А это от 5040 до 7104 элементов питания соответственно.  Такая емкость обеспечит средний запас хода от 330 до 425 км. К слову, производством батарей занимается компания Panasonic.

Расположение аккумуляторов в нижней части Model S в сочетании с относительно легким кузовом из алюминия позволяет расположить центр тяжести на уровне в 45 см, что очень низко. А, как известно, чем ниже центр тяжести, тем лучше управляемость и поведение на поворотах. Распределение нагрузки между передней и задней осями составляет 47 к 53.

Двигатель, расположенный сзади, работает по простому индукционному принципу, который используется в массе бытовых приборов. На катушки в статоре подается переменный ток, а благодаря электромагнитной индукции в движение приводится ротор. Конкретно в случае Model S используется трехфазный четырехполюсной двигатель. Охлаждается он за счет циркуляции жидкости. С его помощью достигается мощность в 416 л.с. и вращающий момент в 600 Нм. Такие показатели позволяют разгонятся с места до сотни за 4,4 секунды (в случае топовой комплектации).

Помимо того что электрический двигатель не производит выхлопных газов, что позитивно сказывается на экологии, ему еще не нужно время на подачу топлива и преобразования его во вращение колес, что означает, что задержка между нажатием на педаль газа и подачей мощности почти нулевая. А система рекуперации позволяет почти не пользоваться педалью тормоза в городских условиях. Впрочем, интенсивность системы настраивается вручную. А еще потому что в Model S нет большого двигателя, бензобака и прочих объемных штук, вы получите много места. В багажнике (том, который сзади) при желании можно даже установить два дополнительных сидения. Неплохо как для седана. Так что вы сможете перевозить двух детей сзади и даже еще одного спереди.

Наверное, самое больное место любого электрического автомобиля — время и место зарядки. Tesla предлагает систему «суперзарядки», которая за полчаса добавит вам 275 км хода. Однако такие заправки есть далеко не везде, и не всегда вы будете проезжать мимо них. С помощью адаптера можно заряжать Model S и от стандартной розетки, но занимать это может очень долгое время — более 15 часов при токе в 20 А.

Впрочем, в 2013 году Tesla продемонстрировала возможность полной замены батарей на заряженные всегда за 90 секунд. Примерно такое же время необходимо для заправки бензином. Стоить такая процедура на станциях Tesla будет примерно $60-80, что соизмеримо с полным баком топлива. В то же время зарядка от сети на фирменных станциях для всех владельцев Tesla бесплатна.

Абсолютное большинство органов управления автомобилем сконцентрировано на 17″ тач-панели. Таким образом, можно попробовать растаможить Model S как большой планшет с чехлом в виде автомобиля. Если прокатит, это сэкономит вам кучу денег.

Эпилог

Надеюсь, вам было интересно узнать подробнее о Model S — пожалуй, лучшем электромобиле современности. В качестве бонуса можете посмотреть галерею живых фотографий от нашего главного редактора, Саши Ляпоты, который смог в свое время познакомиться с творением Tesla лично, пусть даже только на выставочном стенде.

Если вам нравится рубрика «Как это работает», рассказывайте о ней друзьям с помощью кнопок соцсетей — этим вы поможете развитию проекта. А также предлагайте темы для следующих выпусков в комментариях.

Двигатель электромобиля — принцип работы, устройство, виды

По планам многих автоконцернов – именно за тяговым двигателем для электромобиля – будущее. Так известно, что в плане развития известного гиганта Bentley Motors значится, что к 2030-му году компания полностью трансформируется в производителя электроавтомобилей.

На электродвигатели ставки также делают такие известные на весь мир компании, как Nissan, Volvo, Aston Martin. 

Тенденции таковы, что в массовом производстве сейчас больше представлены легковые электромобили и городской электротранспорт (согласно планам, в ряде таких стран как, к примеру, Франция и Норвегия в 2025-2030-м гг. автобусы в городах будут полностью заменены на электротранспорт).

Но чувствуется интерес и к установке электромоторов на грузовой транспорт. Особенно электродвигатели интересны производителям городских развозных фургонов, терминальных тягачей и коммунальных грузовиков.

На весь мир уже хорошо известен седельный тягач капотного типа Tesla Semi, в коммунальном хозяйстве США активно не первый год используют мусоровозы PETERBILT на электротяге, в Евросоюзе возрастает интерес к седельному тягачу с электродвигателем Emoss Mobile Systems B.V. и Renault Trucks –развозному автомобилю для продуктов.

На постсоветском пространстве свой коммерческий электротранспорт пока только начинает появляться, но уже активно говорят про грузовик МАЗ-4381Е0 (на грузовике установлен асинхронный тяговый электродвигатель мощностью 70 кВт (95 л. с.), ориентированный на транспортировку грузов в черте города, и электрогрузовик Moskva опытно-конструкторского бюро Drive Electro (главное назначение — доставка товаров в магазины). Не за горами время, когда этот коммерческий транспорт с электромоторами будет активно востребован автопарками, логистическими центрами, предприятиями.

Также, безусловно, давно, как данность мы принимаем, что на электродвигателе работают трамваи, троллейбусы, погрузчики на складах и локомотивы. Трёхфазный асинхронный двигатель помогает двигаться на давно полюбившихся поездах «Ласточка» и «Сапсан».

Принцип работы

Принцип работы двигателя электромобиля основан на преобразовании электроэнергии в механическую энергию вращения. Главные участники преобразования энергии – статор и ротор.

Как работает традиционный электромотор?

1. Магнитное поле статора действует на обмотку ротора.
2. Возникает вращающий момент.
3. Ротор начинает двигаться.

Наглядная схема двигателя электромобиля в системе электропривода представлена ниже:

Важная особенность классического электрокара – отсутствие дифференциала, коробки передач, передаточных устройств с шестеренками. Энергия от электромотора поступает прямо на колеса.

Без коробки передач – и большинство «гибридов» с электродвигателем и ДВС. Исключение – «гибриды» с параллельной схемой передачи на колёса крутящего момента. К ней мы ещё вернёмся в этой статье в разделе, посвящённом гибридным автомобилям.

Принцип работы любого электродвигателя базируется на процессах взаимного притяжения и отталкивания полюсов магнитов на роторе и статоре. Движение осуществляется под действием самого магнитного поля и инерции.

Устройство

Как устроен двигатель электромобиля?

При описании принципа работы электродвигателя, уже было упомянуто, что главные компоненты двигателя электромобиля– ротор и статор.

1. Ротор – это вращающийся компонент двигателя.
2. Статор находится в неподвижном состоянии. Он ответственен за создание неподвижного магнитного поля.

Ротор

Классический ротор автомобиля состоит из сердечника, обмотки и вала. У некоторых электродвигателей в состав ротора также входит коллектор.

• Сердечник – это металлический стержень, на периферии которого располагается обмотка. Непосредственно через сердечник происходит замыкание магнитной цепи электродвигателя. Сердечник изготавливается из стальных пластин круглой формы. По структуре похож на слоёный пирог. При производстве сердечников используют изолированные листы стали с присадками кремния. В этом случае обеспечены увеличение КПД электродвигателя, наименьшие удельные потери в металле на единицу массы, снижение величины размагничивающих вихревых токов Фуко, которые возникают из-за перемагничивания сердечника. На поверхности сердечника есть продольные пазы. Через них прокладывается обмотка.
• Вал – металлический стержень, который непосредственно передаёт вращающий момент. Также изготавливается из электротехнической стали. Служит основой для насаживания сердечника. На концах вала есть резьба, выемки под шестерёнки, подшипники качения, шкивы.
• Коллектор – блок, крепящийся на валу. Представляет собой систему медных пластин. Изолирован от вала. Служит выпрямителем переменного тока, переключателем-автоматом направления тока (в зависимости от вида электродвигателя).

Статор (индуктор)

Статор состоит из станины, сердечника и обмотки:

• Станина статора – корпус статора. Как правило, корпус бывает алюминиевым или чугунным. Алюминиевые станины популярны у электродвигателей легковых авто, чугунные – у спецтехники, которая вынуждена работать в условиях высокой вибрации. Станина служит базой крепления основных и добавочных полюсов.
• Сердечник статора – цилиндр из профилированных стальных листов. Фиксируется винтами внутри станины. Снабжён пазами для обмотки.
• Обмотка. Создаёт магнитный поток. При пересечении проводников ротора наводит в них электродвижущую силу.

Виды

Электродвигатели классифицируют по типу питания привода, конструкции щеточно-коллекторного узла, количеству фаз для запитывания:

• По типу питания привода. Устройства делятся на моторы переменного и постоянного тока. Двигатели постоянного тока способны обеспечить более точную и плавную регулировку оборотов, высокий КПД. Двигатели переменного тока выручают, когда важна высокая перегрузочная способность. Это удачный вариант для подъёмно-транспортных машин. Впрочем, существуют и универсальные моторы, которые функционируют от переменного и постоянного тока.
• По конструкции щеточно-коллекторного узла. Выпускаются бесколлекторные и коллекторные моторы. Бесколлекторный мотор работает за счёт движения ротора с постоянным магнитом. У конструкции нет щеточно-коллекторного узла. Решение обеспечивает достойный крутящий момент, широкий диапазон скоростей и высокий КПД. Важные преимущества бесколлекторного мотора – надёжность, способность к самосинхронизации, возможность подпитываться при переменном напряжении. Ресурс бесколлекторного мотора ограничен исключительно ресурсом подшипников. У коллекторных моторов присутствует щелочно-коллекторный узел. Удобство решения связано с тем, что он может использоваться и в качестве переключателя тока в обмотках, и как извещатель положения ротора, нет необходимости в контролле. Проблема коллекторных моделей – в том, что они зависимы от постоянных магнитов, которые, как известно, со временем, к огромному сожалению, теряют свои свойства.
• По количеству фаз для запитывания. В зависимости от того, как запитывается обмотка, электродвигатели бывают однофазными и трёхфазными. В автомобилестроении широкое распространение получили трёхфазные решения, это связано с рядом технических характеристик (мощность, перегрузочная способность, частота вращения на холостом ходу).

Обратите внимание! Работать трёхфазные моторы могут синхронно и асинхронно, а в качестве ротора используются как короткозамкнутые, так и фазные модели. Самый популярный вариант – трехфазные асинхронные моторы с короткозамкнутым ротором. Они стоят на большинстве современных электрокаров.

Асинхронные и синхронные двигатели

Синхронные моторы – двигатели переменного тока, у которых частота вращения ротора идентична частоте вращения магнитного поля (измерение производится в воздушном зазоре). В автомобилестроении синхронные моторы встретить можно нечасто (хотя в мире техники – это, в целом, очень популярное решение – особенно в климатотехнике, насосных системах).

Но есть производители авто, которые при производстве электрокаров предпочитают устанавливать на свои машины именно синхронные двигатели. Яркий пример – концерн Renault. Синхронными двигателями на электромагнитах он оснастил электрокар Renault Zoe. На электромагниты подаётся постоянный ток. Полярность магнитов ротора стабильна. Полярность магнитов статора при этом изменяется и обеспечивает бесперебойное вращение.

Преимущество синхронных двигателей на электромагнитах у авто – максимальная оптимизация рекуперации энергии торможения. И главный «конёк» авто с таким типом электродвигателя – полная безопасность при буксировке.

Гораздо более популярный вариант – асинхронные двигатели. Это двигатели переменного тока, у которых потенциал напряжения – магнитного поля не совпадает с частотой вращения ротора. Типичным 3-фазным асинхронным двигателем оснащены, например, хорошо известные автомобили Tesla S и Tesla Х.

Иногда асинхронные моторы называют индукционными, так как в роторе в соответствие с законом Ленца у них индуцируется электромагнитная сила.

Двигатель-колесо

Обособленно среди электромоторов стоит двигатель-колесо. Особенность двигателя- колеса – ориентир крутящего момента и силы напряжения на конкретное колесо.

Такие решения можно встретить в плагин-гибридных автомобилях («гибридах» с параллельной схемой, при описании устройства гибридных авто ниже по тексту мы остановимся на них подробнее). Работает двигатель-колесо в паре с ДВС.

У первых плагин-гибридных автомобилей с двигателем-колесом агрегат был монтирован в ступицу колеса, а работа осуществлялась исключительно в паре с внутренним зубчатым редуктором.

Некоторые же современные модели моторов, монтируемые внутри колёс, вполне могут работать без зубчатого редуктора. Это увеличивает управляемость, позволяет избежать увеличения удельного веса шасси, уменьшить риски, повышает КПД.

Преимущества и недостатки электродвигателей

Преимуществ у электродвигателей существенно больше, нежели недостатков. Более того, за счёт усовершенствования и конструктивных особенностей самих электроприводов, и инфраструктуры, связанной с зарядкой, многие вещи, которые вчера ещё казались критичными, сегодня теряют свою актуальность.

Преимущества

• Не требуется «раскачка». Крутящий момент достигает максимума непосредственно при включении. Именно по этой причине электрический двигатель электромобиля не требует наличия стартеров и сцеплений – неотъемлемых спутников ДВС.
• Удобство. Для включения заднего хода (то есть коррекции со стороны вращения мотора) достаточно поменять полярность, сложная коробка передач не требуется.
• Высокий КПД. У машин с электродвигателями он достигает 95 %.
• Независимость. На любой отметке скорости достигается максимальный показатель крутящего момента.
• У мотора – малый вес. Производители могут себе легко позволить создавать компактные автомобили.
• Есть все возможности для рекуперации энергии торможения. Если у авто с ДВС кинетическая энергия просто уходит в колодки (и стирает их), то у электромобиля в режиме рекуперации мотор может функционировать как генератор. В режиме генерации электроэнергия просто трансформируется в другую форму и быстро накапливается в АКБ. Особенно решение эффективно для транспортных средств с длинным тормозным путем. На объём генерируемой и накопленной энергии существенно влияет маршрут (рельеф, в частности наличие холмистых участков на дороге и уклон дороги).
• Снижение расходов на эксплуатацию машины. Зарядку можно производить от электросети. Это существенно дешевле, нежели использование дизеля, бензина. Выгода очевидна даже по сравнению с бензиновыми авто эконом-класса.
• Малый уровень шума.
• В большинстве случаев для мотора не требуется принудительное охлаждение.
• Экологичность. Использование транспорта с электродвигателем снижает количество выхлопных газов в воздухе.

Недостатки

Долгое время считалось, что самый большой минус использования электродвигателя – его зависимость от аккумуляторов, которые быстро выходят из строя. Теперь это неактуально. Современные батареи электрокаров, представленных в массовом выпуске, гарантируют пробег автомобиля 150-200 тыс. км. Потерял актуальность и тот фактор, что машины с электродвигателем существенно уступают бензиновым по мощности. Электротяга современных электромоторов уже не уступает ДВС.

Поэтому недостатки электродвигателей сейчас правильно свести не к недостаткам конструкции, а к плохо развитой инфраструктуре для того, чтобы подзаряжать электромобили. Если в США, Скандинавии подзарядить электрокар легко, то до недавнего момента даже в Западной и Центральной Европе с инфраструктурой для подзарядки таких машин были проблемы.

В России, Беларуси, Украине, Казахстане, пока, увы, с инфраструктурой ситуация ещё хуже. Хотя, например, в России число заправок для электрокаров с 2018 по 2020 год возросло в 3 раза, но полотно покрытия площадками для зарядки очень неоднородное. В Москве – более плотное, в регионах – слабое. Даже разрыв с такими городами-гигантами как Санкт-Петербург и Челябинск — колоссальный.

Устройство электромобиля

Рассматривая электродвигатель, важно остановиться на устройстве электромобиля в целом, изучение электродвигателя не самого по себе, а как части системы электропривода, где электродвигатель – один из его базовых компонентов, его «сердце». Но «организм», функционирует только тогда, когда в порядке все другие «органы» – части электропривода:

• Аккумуляторная батарея.
• Бортовое зарядное устройство. Его функция – обеспечение возможности заряжать аккумуляторную батарею от бытовой электрической сети.
• Трансмиссия. Распространены трансмиссия с одноступенчатым зубчатым редуктором (чаще всего встречающийся и наиболее простой вариант) и бесступенчатая трансмиссия с гидротрансформатором (для старта с места), плавно изменяющие отношение скоростей вращения и вращающих моментов мотора и ведущих колес транспортного средства во всём рабочем диапазоне скоростей и тяговых усилий.
• Инвертор. Назначение инвертора – трансформирование высокого напряжения постоянного тока аккумулятора в трехфазное напряжение переменного тока.
• Преобразователь постоянного тока. Функция – зарядка дополнительной батареи, которая используется для системы освещения, кондиционирования, аудиосистемы.
• Электронная система управления (блок управления). Отвечает за управление функциями, связанными с энергосбережением, безопасностью комфортом. В её «подчинении» – оценка заряда АКБ, оптимизация режимов движения, регулирование тяги, контроль за использованной энергией и за напряжением, управлением ускорением и рекуперативным торможением.

Аккумуляторная батарея

Аккумуляторная батарея (аккумулятор) – один из наиболее дорогих компонентов системы. По своей значимости играет такую же роль, как бензобак для ДВС. Электромобиль движется за счёт электричества, полученного от электросети во время зарядки и хранящегося в АКБ.

При этом важно помнить, что у большинства электромобилей устанавливаются одновременно два аккумулятора: один тяговой – он питает именно мотор и стартерный (как и в машинах с ДВС, он помогает системе освещения, системе подогрева). Эти аккумуляторы разные не только по назначению, но и техническим характеристикам.
Тяговый аккумулятор электрического двигателя электромобиля предназначен для питания мотора, запуска двигателя. У него нет высокого пускового тока, но он заточен на длительную работу, выдерживает большое количество циклов заряда-разряда.

Типичная тяговая АКБ – моноблочная секционная конструкция. Тяговая АКБ состоит из толстых электронных пластин – пористых сепараторов и электролитного вещества.
Самые распространенные аккумуляторы – литий-ионные. У них – наиболее высокая энергетическая плотность, не требуется обслуживание, достаточно низкий саморазряд.

Устройство и особенности гибридных систем

Свои особенности – у гибридных систем. В гибридных системах электродвигатель может рассматриваться и как «партнёр» ДВС, и как допэлемент, помогающий добиться экономии топлива и при этом повышения мощности.

Устройство «гибрида» отличается в зависимости от реализованной схемы передачи на колёса крутящего момента.

• Параллельная. Аккумуляторы передают энергию электромотору, бак – топливо для ДВС. Оба агрегата равноправны и способны создать условия для перемещения авто. Но работает такая схема только при наличии коробки передач. Параллельная схема успешно реализована у автомобиля Honda Civic. Нередко гибриды с параллельной схемой выделяют в отдельную группу и называют плагин-гибридными.

• Последовательная. Любое действие начинается с включения ДВС. Он же отвечает за последующие действия: поворот генератора для запуска электромотора, зарядку аккумуляторов.

• Последовательно-параллельная. Через планетарный редуктор соединены ДВС, электродвигатель и генератор. В зависимости от условий движения может использоваться тяга электродвигателя или ДВС. Режим выбирается программно системой управления транспортного средства. Среди хорошо известных последовательно-параллельных «гибридов» – Toyota Prius, Lexus-RX 400h.

Классический гибридный автомобиль использует интегрированный в трансмиссию электрический мотор-генератор.

При этом для получения электрической тяги у гибридных систем задействованы четыре базовых компонента:

• Мотор-генератор. Является обратимой силовой установкой. Может работать в двух режимах: непосредственно тягового мотора и генератора для зарядки высоковольтной аккумуляторной батареи. При работе в режиме мотора возможно создание крутящего момента и мощности, которых хватит для старта и движения автомобиля с выключенным ДВС, при работе устройства в режиме генератора продуцируется высоковольтная электроэнергия.
• Высоковольтные силовые кабели. Изолированные электрические кабели большого сечения. Важны для переноса энергии между компонентами высоковольтных электроцепей.
• Высоковольтные аккумуляторные батареи. Включенные в последовательную цепь аккумуляторные элементы. Позволяют накопить в батарее большой объём электроэнергии.
• Высоковольтный силовой модуль управления для управления потоком электроэнергии для движения транспортного средства на электрической тяге.

Гибридные авто открывают новые эксплуатационные возможности, с одной стороны можно быть максимально экологичным, радоваться комфортной езде и сэкономить на топливе, а с другой стороны, при разряде аккумулятора владелец авто не попадёт впросак, если невозможно подзарядить мотор: в работу вступит ДВС.

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях напрямую связаны с тем, насколько активно будет развиваться инфраструктура. Там, где она не обеспечена, использование электрокаров действительно ограничено. Ведь без подзарядки у многих авто – малая дальность пробега.

Впрочем, даже последняя проблема активно решаемая. Немецкие и японские разработчики (компании DBM Energy, Lekker Energie, Japan Electric Vehicle Club) сумели доказать миру: потенциал у электродвигателей, аккумуляторов без подзарядки может достигать 500 -1000 тысяч километров пробега. Правда, пока что 1 000 тысяч км пробега без подзарядки возможны только в теории, а 500-600 уже на практике.

На данный момент доступность такого транспорта – на уровне инженерно-конструкторской работы, экспериментальных выпусков, но есть перспективы что их подхватят автогиганты, и не за горизонтом – серийное производство.

Перспективы применения электродвигателей в автомобилях очень тесно связаны и с политикой отдельных государств. Например, в Норвегии обладатели электромобилей освобождены от уплаты ежегодного налога на транспорт, пользования платными дорогами, паромными переправами и даже большинством парковок. С учётом того, что налоги и тарифы в Скандинавии одни из самых высоких, мотивация приобрести именно авто с электродвигателем, а не ДВС – очень высокая.

Обратите внимание, что на базе LCMS ELECTUDE есть специальный раздел “Электрический привод”, в нём подробно разбираются электродвигатели, виды электропривода, системы зарядки, особенности обслуживания транспорта с электромотором. Кроме комплексных теоретических знаний в обучающих модулях приводятся многочисленные практические примеры.

Двигатель электромобиля – разновидности и принцип работы

Экологичные автомобили, будь-то «чистые» электромобили или плагин-гибриды объединяет наличие электродвигателя, в качестве основной движущей силы. Работа современного электрического двигателя основана на принципе электромагнитной индукции, в базе которого лежит выработка электродвижущей силы в замкнутом контуре с изменением магнитного потока. Технология не нова, однако современные достижения науки и техники позволили развить ее до невероятных высот. Немалую роль в этом сыграла и возросшая в десятки раз мощность и емкость аккумуляторных батарей, которые выполняют роль топливного бака в современных электрических и гибридных автомобилях.

Электромобиль Nissan Leaf в «разрезе»: батарея с электродвигателем

Тем не менее, нельзя со 100% уверенностью утверждать, что все электродвигатели одинаковы. Многие ошибочно считают электродвигатель довольно простой установкой, однако стоит, к примеру, учитывать тот факт, что в отличии от ДВС, у электрического двигателя практически 90% КПД выделяемой энергии идет на создание крутящего момента. Согласитесь, что подобную мощность необходимо обуздать и уметь с ней обращаться, а для этого нужно знать некоторые нюансы о работе и разновидностях электрических двигателей.

Электродвигатели – особенности эксплуатации и принцип работы

К главным особенностям электрического двигателя относится несколько важных характеристик:

1. Крутящий момент мотора достигает своего максимума сразу при включении, таким образом, электромобили не требуют наличия характерных для ДВС стартеров и сцеплений.
2. Работа агрегата на обширном числе оборотов, позволяет электромобилю обходиться без коробки переключения передач. Для изменения стороны вращения двигателя (включение заднего хода) достаточно поменять полярности.

Электродвигатель Nissan Leaf

Однако все понимают, что стартовать на электромобиле со всего потенциала крутящего момента, который гораздо мощнее многих автомобилей с ДВС, никто не будет. По меньшей мере, это небезопасно, и что немаловажно это влечет неэффективный расход заряда батарей. Поэтому традиционно электродвигатели должны отвечать следующим требованиям:

• иметь безопасное и удобное для эксплуатации строение;
• обладать гарантией длительной эксплуатации;
• иметь компактные габариты.

Как уже упоминалось, работа современного электродвигателя основана на давно известном принципе электромагнитной индукции. Традиционно агрегат состоит из недвижимого элемента – статора, и крутящегося – ротора. Статор имеет ряд обмоток на которые поступает электрический ток, что приводит к появлению магнитного поля, при котором ротор начинает свое движение. Скоростные показатели ротора определяются частотой, с которой происходит переключение тока с одной обмотки статора на другую.

Двигатели для электромобилей – разновидности и классификация

В современных автомобилях с электрической тягой серийного производства наиболее часто используют три типа электрических двигателей.

Асинхронные двигатели. Моторы непостоянного тока, в которых скорость вращения ротора различается с потенциалом напряжения магнитного поля, созданным источником питания. Различают одно, двух и трехфазные агрегаты асинхронного типа.

Асинхронный трехфазный электродвигатель переменного тока Tesla Model S

Синхронные двигатели. Электромотор, работающий на переменном токе, с движением ротора полностью симметричным электромагнитному полю. Подобные электродвигатели используют при повышенных мощностях. Различают шаговые и вентильные синхронные электродвигатели. Для первых характерно точное расположение ротора с подачей питания на конкретную обмотку, а чтобы изменить положение ротора, напряжение между обмотками необходимо перенаправить. Для второго типа агрегатов характерно питание от полупроводниковых составляющих.

Синхронный электродвигатель с постоянным магнитом Mitsubishi i-MiEV

Двигатель-колесо. Тип электромотора сила напряжения и крутящий момент которого рассчитан на конкретное колесо. Данный тип электропривода часто используется в плагин-гибридных автомобилях в рабочем тандеме с двигателем внутреннего сгорания. Агрегат может устанавливаться непосредственно в колесо, однако современные электромобили все больше отходят от такого расположения мотора, поскольку это увеличивает удельный вес шасси и снижает управляемость. Более рационально стало использовать двигатель в качестве полноценного привода для вращения колеса.

Двигатель-колесо

Что касается регулировок управления электродвигателя, то за преобразование постоянного тока от аккумуляторных батарей в трехфазный переменный – отвечает инвертор.Трансмиссия – выполняющая роль сцепления и коробки передач, зачастую представлена одноступенчатым зубчатым редуктором.Остальные параметры работы электродвигателя регулируют электронная система управления, которая индивидуальна для каждой марки электрокара или гибрида.

Видео как работает электродвигатель и другие механизмы электромобиля на примере Tesla Model S

Хотелось бы подчеркнуть, что представленная классификация и система работы электродвигателей далеко не финальная. Стремительное развитие отрасли эко автомобилей только входит в начальную стадию, поэтому кардинального изменения принципа работы, мощности, строения электромоторов можно ожидать уже в ближайшее время.

Какие электродвигатели используются в гибридных и плагин-гибридных автомобилях

Гибридные автомобили имеют собственную специфику использования электромоторов. Во многом электродвигатель гибрида выполняет роль вспомогательного элемента, повышающего мощность основного двигателя внутреннего сгорания и снижающего уровень потребления топлива.

Электродвигатели используемые в гибридах можно разделить на несколько разновидностей:

• Встроенная помощь мотору. Электродвигатель который берет на себя часть усилий по созданию крутящего момента при движении.
• Встроенный генератор стартера. Электродвигатель, который только приводит автомобиль в движение.
• Старт/стоп двигатель. Электродвигательная система, которая отключает основной ДВС при остановке и мгновенно запускает его при начале движения.

Кроме указанных подвидов классифицируют три типа использования электродвигателя:

• Параллельной работы. В данном типе электродвигатель питается от батарей, а ДВС от топливного бака. Обе категории двигателей создают крутящий момент для движения автомобиля.
• Последовательной работы. Заведенный двигатель внутреннего сгорания включает генератор, который или заводит электродвигатель или подзаряжает аккумуляторный блок.
• Параллельно-последовательной работы. Данный тип гибридного двигателя соединяет электромотор, генератор, ДВС и колеса редуктором.

По большей части в гибридах используется принцип параллельной работы электродвигателя и ДВС. Его применяют также в подключаемых гибридах (плагин-гибридах), в которых по мере истечения заряда аккумуляторных батарей подключается ДВС малой мощности, работа которого в направлена на восполнение заряда АКБ.

Видео работы новой гибридной системы плагин-гибрида Toyota Prius

Вверху: краткое информативное видео-руководство о том, как проектируется полностью электрическая Tesla Model S (Youtube: Learn Engineering)

Используя четкую и эффективную анимацию, презентация разбирает Tesla Model S, чтобы продемонстрировать работу асинхронного двигателя (изобретенного Никой Тесла, он вдохновил название компании), инвертора, трансмиссии, дифференциала, аккумуляторной батареи и системы рекуперативного торможения.Обсуждаемые общие концепции применимы к любому электромобилю (EV), хотя есть некоторые отличия (например, в большинстве других электромобилей используются более крупные прямоугольные аккумуляторные элементы вместо цилиндрических).

Вверху: Tesla использует более 7000 цилиндрических аккумуляторных элементов 18650 Panasonic внутри днища Tesla Model S (Instagram: @ yancki87)

Существует подробное объяснение различий между электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания (ДВС).Последнее намного сложнее — для него требуется коленчатый вал с противовесами для преобразования линейного движения поршней во вращательное движение, маховик для плавной выходной мощности, двигатель постоянного тока для запуска, генератор переменного тока для зарядки аккумулятора, система охлаждения и множество других устройств, в которых электродвигатель не нуждается. Асинхронный двигатель, который производит прямое вращательное движение и равномерную выходную мощность, намного меньше и легче. Асинхронный двигатель Тесла выдает мощность 270 кВт и весит 31 год.8 кг, тогда как ДВС мощностью 140 кВт будет весить около 180 кг.

Вверху: Tesla Model S (Изображение: Tesla)

И, конечно же, ДВС обеспечивает полезный крутящий момент и мощность только в ограниченном диапазоне (обычно 2 000–4 000 об / мин), поэтому для соединения его с ведущими колесами требуется сложная трансмиссия. Асинхронный двигатель почти одинаково эффективен от нуля до 18000 об / мин. Как и в большинстве электромобилей, в Model S используется простая односкоростная трансмиссия.Плавная кривая мощности асинхронного двигателя без перерывов в переключении передач — вот что придает электромобилям восхитительные характеристики.

Вверху: Схема Tesla Model S (Изображение: Cliff’s Riffs через Wired)

У электромобилей

есть несколько компонентов, которых нет в ДВС. Инвертор необходим для преобразования постоянного тока от аккумуляторной батареи в трехфазный переменный ток, используемый двигателем. Инвертор также контролирует скорость двигателя. В оригинальном аккумуляторном блоке Tesla используется около 7000 маленьких цилиндрических аккумуляторных элементов Panasonic.Это позволяет металлическим трубкам, заполненным охлаждающей жидкостью на основе гликоля, проходить через зазоры между элементами, сохраняя батарею в прохладном состоянии и продлевая ее срок службы. Аккумуляторы обязательно бывают большими и тяжелыми. Tesla превратила это в преимущество, сделав пакет плоским и установив его в нижней части шасси. Это дает транспортному средству низкий центр тяжести, что значительно улучшает управляемость и позволяет избежать необходимости занимать пассажирское и грузовое пространство (больное место «неродных» электромобилей, которые были адаптированы из конструкций автомобилей с ДВС).

Опубликовано в Электрические транспортные средства, литий-ионные аккумуляторы, Тесла, новости тесла TSLA

---

Далее →

← Предыдущее

Мотор Tesla Model 3 — все, что я смог узнать о нем (добро пожаловать в машину)

Любой энтузиаст Tesla хорошо знает, что название, первоначально выбранное для тогдашней Tesla Motors, было основано на конструкции двигателя, приписываемой Николе Тесле, жившему в 19 веке.Практически каждый автомобиль, который производила Tesla, от Roadster до Model S и Model X, был оснащен версией этого почтенного трехфазного асинхронного двигателя переменного тока.

В течение десятилетий после изобретения электродвигатель Николы был привязан к стационарной трехфазной розетке переменного тока. Асинхронный двигатель был окончательно освобожден от якоря в 1960-х, когда на помощь пришла Кремниевая долина с цифровой электроникой. Примерно в 1990 году инженер-индивидуалист Алан Коккони разработал один из первых портативных инверторов , , устройство, которое преобразует постоянный ток (DC) в батарее электромобиля в переменный ток (AC), необходимый для асинхронного двигателя.Комбинация инвертор / двигатель была впервые использована в электромобиле, который в конечном итоге стал GM EV1, а позже Коккони применил улучшенную версию этой трансмиссии в спортивном автомобиле tZERO, который позже был обнаружен соучредителями Tesla Motors Мартином Эберхардом и Марком. Тарпеннингом, а чуть позже Илоном Маском.

Tesla в конечном итоге лицензирует технологию трансмиссии tZERO для родстера. Эти исторические точки, соединенные так, как они были, обозначают основную причину, по которой Tesla Motors использовала асинхронный двигатель в своем первом серийном автомобиле (хотя и со многими улучшениями).

Преимущество асинхронного двигателя в том, что он не требует постоянных магнитов. Постоянные магниты достаточной мощности для раскрутки двигателя электромобиля обычно относятся к редкоземельным элементам, которые печально известны такими атрибутами, как высокая начальная стоимость, возможность размагничивания или поломки, проблемы с поставщиками и изменчивость цен. Но транзистор позволил использовать асинхронный двигатель без PM в транспортном секторе. Асинхронный двигатель использует электромагнитов (катушки проволоки, обернутые вокруг сердечника из черного металла), которые можно включать и выключать — или переключать — много раз в секунду благодаря транзисторам с эзотерическими названиями, такими как Complementary Metal Oxide. Полевой транзистор (MOS-FET) и, позже, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) .

Асинхронный двигатель, конечно, отличная машина. Но это не идеально. Реализация Tesla использует дорогостоящий и трудный для литья ротор, сделанный из чистой меди. А из-за характера работы асинхронных двигателей ротор имеет тенденцию к нагреванию и даже может перегреться. Тепло — это потраченная впустую энергия (известная как потеря i ² r), и в электромобиле это имеет значение. Асинхронный двигатель также не так эффективен на низких скоростях, как некоторые другие конструкции, поэтому всегда был открыт путь к более эффективному и менее дорогостоящему решению.

На модели 3

Как оказалось, Модель 3 не питается от асинхронного двигателя. Вот это да. Учитывая, что асинхронный двигатель является тезкой Tesla, мы хотим знать, почему. В чем дело? Какой мотор использовала компания вместо этого? Но Тесла не разговаривает. Хорошо, они немного болтают. Нас предупредили о грядущих изменениях еще в 2015 году, когда технический директор Tesla Дж. Б. Штраубель сообщил нам, что Model 3 будет поставляться с « новой моторной технологией. ”Мы также получили известие в конце 2017 года, когда появился документ EPA, в котором говорилось, что в Model 3 использовался… двигатель с постоянными магнитами.Двойное вау. Это было подтверждено ранее в этом году, когда в статье Charged цитируется главный конструктор двигателей Tesla Константинос Ласкарис, который охарактеризовал новый двигатель следующим образом: «Итак, как вы знаете, в нашей Model 3 теперь есть машина с постоянными магнитами. Это связано с тем, что с точки зрения технических характеристик и эффективности, машина с постоянными магнитами лучше решала нашу функцию минимизации затрат и была оптимальной для диапазона и целевой производительности ».

Угу. Итак, теперь мы точно знаем, что модель 3 — это , а не с использованием асинхронного двигателя, а — это с использованием двигателя с постоянными магнитами.Фактически, в документе EPA фактически указан тип двигателя — с опечаткой — как «3-фазный постоянный магнит переменного тока» (для справки, Chevy Bolt EV использует трехфазный двигатель с постоянными магнитами). Но я считаю, что это все, что мы можем сказать, что мы знаем о . С этого момента это предположение. Догадки. Тем не менее, это лишь догадки, когда части мозаики начинают довольно хорошо складываться. Давайте посмотрим, сможем ли мы установить, действительно ли в Model 3 используется тот же тип двигателя, что и, скажем, Bolt, как это и возникло вначале.

Представляем гуру разборки автомобилей Ingineerix. В феврале Ingineerix опубликовал серию увлекательных видеороликов, исследующих работу Model 3. В записи под названием «Темная сторона» он исследует днище автомобиля и начинает называть компоненты и подсистемы, как если бы он читал с телесуфлера. . Действительно подробный материал, который, насколько мне известно, раньше публично не разъяснялся. Парень, кажется, действительно знает свое дело. Я обратился к Ingineerix в разделе комментариев к видео, где он сообщил, что в автомобиле есть «электродвигатель с регулируемым сопротивлением, использующий постоянные магниты.Ingineerix продолжил: «Tesla называет это PMSRM, электродвигателем с постоянным магнитом, управляемым сопротивлением. Это новый тип, и его очень сложно исправить, но Tesla сделала это! »

Ну привет. Это действительно лошадь совсем другого окраса. Немногие слышали о электродвигателях с регулируемым сопротивлением. Что это за животное? И как может все, что позволяет автомобилю весом 3800 фунтов разгоняться до 60 миль в час примерно за 5 секунд, называться противодействующими ? Давайте ответим на оба эти вопроса по пути к открытию нескольких кусочков головоломки.

Чтобы лучше понять, что такое , достойный модели 3 в реактивном двигателе, мы должны сначала освежить наши воспоминания о том, как работает устаревший трехфазный асинхронный двигатель переменного тока Tesla (о котором я подробно писал здесь). Даже если вы не любитель моторики, просто обратите внимание на одно наблюдение, касающееся двигателя: индукция , часть названия технологии, связана с тем фактом, что вместо использования дорогих постоянных магнитов на роторе создается большое магнитное поле. от неподвижной части двигателя (статора) на самом деле наводит противоположное магнитное поле на высокопроводящий медный ротор.И мы знаем, что происходит, когда два противоположных магнитных поля взаимодействуют: они притягиваются друг к другу. Если у вас есть магнит на кухонном столе, и вы перемещаете поблизости другой магнит противоположной полярности, магнит в вашей руке притягивает к себе другой магнит. Точно так же, когда два противоположных магнитных поля, генерируемых внутри двигателя Ludicrous Model S P100D, взаимодействуют … автомобиль взлетает, как летучая мышь из ада.

Разве это не наука?

Реактивный двигатель способен на подобную магию.Однако в этом случае конструкция не основана на двух магнитных полях , взаимодействующих друг с другом. Есть только , одно магнитное поле. Как это может быть? Что ж, вернитесь к тому кухонному столу и замените один из этих магнитов небольшим куском железа или стали. Что произойдет, если вы переместите оставшийся магнит к металлу? Магнит, конечно же, притянет кусок металла к себе. А что, если бы вы сделали ротор электродвигателя из всего лишь очищенного куска стали, но сохранили существующие электромагниты в статоре? Поскольку электромагниты включаются и выключаются в правильной последовательности, они заставят стальной цилиндр повернуться.Поздравляем, вы только что сконструировали резистивный двигатель! И тот факт, что электромагниты переключаются и выключаются последовательно, вращает ротор (как в случае с асинхронным двигателем), у вас есть то, что называется Switched Reluctance Machine .

Пазлы

Давайте представим на мгновение, что вам была поручена работа по разработке нового двигателя для Model 3. Илон Маск указал, что ваш дизайн должен стоить меньше, чем двигатель Model S.Вас также проинструктировали, что двигатель не должен снижать производительность, но при этом он должен быть легче и эффективнее, чем его собрат. Что бы вы сделали?

Вы бы подумали о том, чтобы устроиться на работу в «Макдональдс» по дороге от фабрики во Фремонте. Нет, нет — после . Вот подсказка: вы должны изучить все существующие архитектуры электродвигателей. При этом вы столкнетесь с конструкцией, которая на самом деле старше изобретения Николы Теслы 1892 года. Более чем 50 лет назад машина сопротивления была изобретена в 1838 году.И это на удивление приятный дизайн. Машина сопротивления проста, эффективна, компактна. И это недорого в производстве. Тем не менее, резистивный двигатель простоял на полке более века, страдая от изнурительной болезни под названием Torque Ripple (из-за склонности резистивной машины вызывать явление, известное как зубчатая передача). Пульсация крутящего момента просто означает, что выходная мощность реактивного двигателя колеблется вверх и вниз. Конечно, для электромобиля не годится. Когда вы нажимаете педаль на металл, вам нужен приятный плавный темп ускорения.

Реактивная машина была частично спасена с помощью той же технологии, которая позволила установить асинхронный двигатель в электромобиль — силовой электроники из Кремниевой долины. Реактивный двигатель, как известно, трудно контролировать (число оборотов, определение положения ротора и т. Д.), Но современные инверторы и системы управления помогли преодолеть эту слабость. Тем не менее, проблема пульсации крутящего момента оставалась проблемой даже при приближении 21-го века ^{-го и} -го. Но, ковыряясь, вы начинаете замечать некоторые исследования по этой теме, проводившиеся в первом десятилетии этого века.Вы встречаете исследовательский документ 2011 года, в котором утверждается, что проблема пульсации крутящего момента решена. Исследователь встроил несколько небольших редкоземельных магнитов в статор реактивного двигателя вместе с существующими электромагнитами . При этом кривая крутящего момента сгладилась. В качестве бонуса в документе утверждается, что за счет включения редкоземельных элементов достигается 30% -ное увеличение выходной мощности. Теперь есть несколько основных принципов мышления. Тот, кто первым подумал о шнуровке статора редкоземельными элементами, очевидно, придумал величайший брак с тех пор, как кто-то подумал погрузить плитку шоколада в банку с арахисовым маслом, чтобы получить чашку с арахисовым маслом Риза.

Ваши мысли объединяются. После решения двух основных проблем, связанных с машиной сопротивления, вы делаете решительный шаг и начинаете работать с этой конструкцией. Первое, что вы можете сделать, это отказаться от дорогого медного ротора в старом двигателе и заменить его гораздо более дешевым ротором из черного металла. Наверное, сталь. И, наверное, кремнистая сталь. Вы только что сэкономили кучу денег. Далее, хотя редкоземельные элементы и стоят дорого, они используются в статоре , а не в роторе , как в традиционном двигателе с постоянными магнитами, поэтому вы собираетесь дополнить электромагниты относительно небольшими постоянными магнитами.Выбранная вами конструкция имеет некоторые проблемы с акустическим шумом, но вы чувствуете, что ее стоит продолжить, потому что это самый простой и дешевый в изготовлении двигатель, но при этом очень эффективный и мощный (особенно с этими редкоземельными элементами). Молодец!

---

Итак, первый кусок головоломки в теории о том, что Тесла поместил реактивный электродвигатель в Модель 3, — это магниты. Мы знаем, что они там есть, и теперь мы знаем, что одним из последних достижений в конструкции двигателей является включение редкоземельных элементов в статор реактивного резистора.Это огромно. Он вывел машину сопротивления из нафталина!

Еще один признак того, что двигатель Model 3 не использует эти редкоземельные элементы в конструкции обычного двигателя с постоянными магнитами, заключается в том, что автомобиль не регенерирует полностью до 0 миль в час. Например, у Bolt есть обычный трехфазный двигатель с постоянными магнитами, который позволяет ему выполнять регенерацию до 0 миль в час. Я лично убедился в этом в прошлом году, когда тестировал Bolt — вы можете остановиться, не нажимая на тормоза. Мы называем эту головоломку №2.

Вот еще один: наклейка «дилера» на модели 3 в выставочных залах указывает на «трехфазный, , шестиполюсный, , внутренний двигатель с постоянными магнитами». Асинхронный двигатель Tesla имеет 4 полюса, как и многие электромоторы. Почему тогда шестиполюсный двигатель? Это ссылка на способ подключения катушек на статоре для работы с трехфазным питанием (три отдельные ветви питания). Чем ближе расстояние между полюсами, тем меньше времени может быть для снижения крутящего момента. Возможно, это способ Tesla еще больше сгладить пульсацию крутящего момента.Это кусок пазла №3.

Часть головоломки №4 заключается в том, что различные публикации по инженерному делу / проектированию двигателей начинают говорить о машине сопротивления (см. Ссылки на статьи ниже). И мы начинаем видеть, как дизайн сопротивления появляется в электромобилях, таких как Prius. Кроме того, UPS объявила, что в программе по переводу их парка на электроэнергию будет использоваться переключаемая машина сопротивления. Компания заявляет, что внедрение реактивного двигателя по сравнению с другими конструкциями сократит время зарядки и повысит энергоэффективность до 20% (однако компания отказывается от использования редкоземельных магнитов).И, в целом, начинают появляться отраслевые приложения для обновленных конструкций реактивных двигателей. Например, в недавней статье CleanTechnica компания Software Motor Company (SMC) заявляет, что ее новый неохотный дизайн машины — с тем, что они называют своей собственной версией «секретного соуса» — сэкономит 50% затрат на электроэнергию по сравнению с текущим асинхронные двигатели, используемые в Walmart для HVAC и т. д.

Наконец, мотор в Model 3 действительно меньше мотора Model S. В недавнем видео Джека Рикарда на EVTV, посвященном Model 3, Джек утверждал, что двигатель Model 3 на самом деле меньше, чем даже передний двигатель меньшего размера на Model S.Тем не менее, производительность не сильно пострадала. Некоторые владельцы сообщают, что их Model 3 в 0–60 раз быстрее, чем за 4,8 секунды. Это, конечно, отчасти связано с тем, что на 1000 фунтов меньше веса, чем у S, но все же давайте условно назовем эту головоломку № 5.

Дальнейшая поддержка части № 5 исходит из продолжающихся комментариев Рикарда, пока он все еще находится под автомобилем (Рикард, кстати, зашел так далеко в кроличью нору трансмиссии Tesla, насколько я когда-либо слышал). Экстраполируя документы EPA, Джек называет «потерю заряда аккумулятора на колеса» в Model 3 на 6 процентных пунктов более эффективным, чем у Model S (89% электроэнергии преобразуется в поступательное движение по сравнению с 83% для S).

Фотография мотора Tesla Model 3 снизу автомобиля. Предоставлено EVTV.

---

Сводка

Благодаря прорыву в конструкции реактивных машин за последние несколько лет, мы можем стать свидетелями кардинальных изменений в трансмиссии для рынка электромобилей. Учитывая отчеты о производительности Model 3, заявленный скачок миль на кВтч, о котором сообщают владельцы по сравнению с предыдущими моделями Tesla, а также наши 5 простых частей пазла, можно сделать разумную ставку на то, что Tesla усовершенствовала машину сопротивления и тем самым так вытащил инженерного кролика из шляпы.

Несмотря на точную конструкцию двигателя, Tesla явно выбила из парка силовой агрегат Model 3. Они дали своей команде разработчиков двигателей, если не бланк, пустую доску, и команда разработала дизайн, подходящий не только для доступного электромобиля, но и для грядущего Tesla Semi.

Отметим, что главный конструктор Ласкарис присоединился к Tesla после того, как в году была разработана Model S. Его голова, должно быть, была полна свежих идей, когда он ранее был соучредителем проекта по разработке и созданию эффективного электромобиля.Как и Штробель, Ласкарис тяготел к Тесле, уже имея представление о том, что будущее за электричеством.

Конструкция двигателя 3 также помогла Tesla достичь заявленной цели сокращения количества деталей на 25% за счет того, что двигатель выполняет двойную функцию в качестве источника тепла для нагрева тягового аккумулятора. ( Примечание: Tesla была настолько впечатлена талантами, которые пришли из школы Ласкариса в Греции, что компания открыла в стране небольшой исследовательский центр. )

Хотя использование машины сопротивления в Model 3 еще предстоит проверить, учитывая внезапные разговоры в стольких кругах о стольких применениях этой моторной технологии, трудно поверить, что у Tesla не было бы места в первом ряду для этого. мероприятие.В общем, вполне вероятно, что 2018 год станет годом реактивного двигателя. Добро пожаловать в машину.

Дополнительные ссылки:

Понимание машин сопротивления:
Wiki article
MachineDesign.com article
Charged EV; Более пристальный взгляд на электродвигатели с переключаемым сопротивлением
Заряженный электромобиль: более пристальный взгляд на пульсацию крутящего момента

Добавление PM к реактивным электродвигателям
IEEE document
2011 white paper

Другое:
Разборка модели 3 компанией Ingineerix
История электродвигателя

Эта статья была немного изменена для точности после публикации.

Рекламное объявление

---

У вас есть совет для CleanTechnica, вы хотите разместить рекламу или предложить гостя для нашего подкаста CleanTech Talk? Свяжитесь с нами здесь.

---

Технология двигателя

от Model 3 помогает Tesla увеличить диапазон Model S на 10%

Модель S

Tesla известна своим большим запасом хода: версия мощностью 100 кВт / ч рассчитана на проезд 335 миль (540 км) без подзарядки. Во вторник Tesla объявила об изменениях в трансмиссии Model S, которые увеличили запас хода более чем на 10 процентов до 370 миль (595 км).

Подобные улучшения увеличили дальность действия High-End Model X до 325 миль (525 км). И все это без увеличения емкости аккумулятора автомобиля. Автомобили просто могут ехать на 10 процентов дальше на каждый киловатт-час заряда, что означает экономию электроэнергии для клиентов Tesla.

Сочетание нескольких факторов привело к впечатляющему повышению эффективности. Tesla переключила один из двигателей в Model S и Model X на новую технологию, впервые использованную в Model 3. Компания также объявила об улучшенной системе подвески и других улучшениях эффективности всего автомобиля.Впечатляющий результат: более 93% энергоэффективности.

Синхронные реактивные двигатели с постоянными магнитами, объяснение

До сих пор в моделях S и X использовались обычные асинхронные двигатели. В асинхронном двигателе переменный ток пропускается через обмотки статора (неподвижная часть двигателя) для создания вращающегося магнитного поля. Это магнитное поле индуцирует электрические токи в обмотках ротора (вращающаяся часть двигателя), которые создают противоположное магнитное поле, заставляя ротор вращаться в том же направлении, что и магнитное поле.

Модель 3 дебютировала с альтернативной технологией двигателя, которую Тесла называет синхронным реактивным двигателем с постоянным магнитом. Синхронный реактивный двигатель имеет ряд электромагнитов вокруг статора, но ротор не имеет обмоток или постоянных магнитов. Вместо этого ротор содержит жилы из магнитного материала с вкраплениями немагнитного материала, расположенные так, что он имеет предпочтительную ориентацию в магнитном поле, создаваемом статором.

Чтобы повернуть ротор, двигатель последовательно активирует электромагниты, создавая вращающееся магнитное поле, которое тянет ротор вперед.Эта конструкция известна как синхронизированный двигатель, потому что активация электромагнитов синхронизирована со скоростью вращения ротора, что не верно для асинхронного двигателя.

Реклама

Версии модели 3 с двумя двигателями имеют асинхронный двигатель спереди и синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами сзади. Model S и Model X меняют это положение, размещая асинхронный двигатель сзади и PMSRM спереди.

Комбинирование асинхронного двигателя с PMSRM имеет смысл, поскольку эти два типа двигателей имеют разные рабочие характеристики. Как сказал в прошлом году Илон Маск, «один оптимизирован по мощности, а другой — по дальности». Асинхронные двигатели обеспечивают высокий крутящий момент на низких скоростях, но в целом они менее энергоэффективны. Таким образом, двухмоторные транспортные средства могут передавать мощность на асинхронный двигатель, когда требуется немедленное быстрое ускорение, а затем переключать мощность на PMSRM, когда транспортное средство набирает скорость.

Tesla утверждает, что повышение эффективности Model S и X не произошло за счет снижения крутящего момента.Напротив, компания заявляет, что последние версии улучшились в 0-60 раз по сравнению с более ранними версиями.

Прочие улучшения

Наряду с новой конструкцией двигателя, по словам Тесла, последние модели Model S и X имеют «силовую электронику из карбида кремния, а также улучшенную смазку, охлаждение, подшипники и конструкцию шестерен». Тесла говорит, что новые автомобили также лучше справляются с рекуперативным торможением, что позволяет автомобилю возвращать больше своей кинетической энергии при замедлении.

Tesla также переработала пневматическую подвеску на Model S и Model X.Новая технология использует «прогнозирующую модель, чтобы предвидеть, как необходимо будет отрегулировать демпфирование в зависимости от дороги, скорости и других данных транспортного средства и водителя». Tesla заявляет, что «улучшила выравнивание системы во время крейсерского движения, сохранив низкую высоту автомобиля для оптимизации аэродинамического сопротивления».

Tesla также сообщает, что она значительно сократила время наддува с максимальной мощностью 200 кВт на новых нагнетателях V3. Tesla заявляет, что клиенты смогут заряжаться на 50 процентов быстрее.

Поправка: В этой истории первоначально говорилось, что реактивный реактивный двигатель — это другое название синхронного реактивного двигателя, а затем было объяснено, как работают реактивные реактивные двигатели.На самом деле это разные типы моторов. Я соответствующим образом изменил историю и сожалею об ошибке.

заряженных электромобилей | Вопросы и ответы с ведущим инженером по двигателям Tesla (полное интервью)

Главный инженер по двигателям Tesla описывает, почему моделирование и оптимизация так важны для процесса проектирования.

Создание современного электромобиля требует глубокого понимания всех компонентов. Что еще более важно, это требует непрерывного процесса анализа и оптимизации компонентов, чтобы раздвинуть пределы дальности действия, эффективности, производительности и снижения затрат.За последнее столетие двигатель внутреннего сгорания потратил миллионы человеко-часов на инженерный анализ и усовершенствование, в то время как коллективные инженерные усилия в индустрии электромобилей только начинались.

Неудивительно, что Tesla, первопроходец электромобилей, тратит значительный объем ресурсов на внутренние исследования и разработки для разработки более совершенных деталей для электромобилей, и что ее испытательные центры и инженерные кадры находятся на переднем крае отрасли.

В качестве главного конструктора двигателей Tesla Константинос Ласкарис отвечает за электромеханическое проектирование и оптимизацию существующих и будущих тяговых двигателей компании.До прихода в Tesla Ласкарис получил докторскую степень в Национальном техническом университете Афин, Греция. Там он объединил передовые методики и разработал алгоритмы оптимизации геометрии двигателя.

Charged недавно побеседовал с автомобильным гуру Tesla, чтобы узнать больше о процессе, который компания использует для постоянной оценки и оптимизации выбора конструкции двигателя.

Заряжено: В целом, чем электродвигатели лучше подходят для тяговых приложений, чем двигатели внутреннего сгорания?

Laskaris: Если вы просто сравните любой другой высококлассный традиционный автомобиль с Tesla, вы увидите огромную разницу.Это из-за технологии.

Что касается двигателя, в частности, существует огромное преимущество в эффективности, он чрезвычайно тихий и не подвержен вибрации, с очень высокой удельной мощностью и мгновенным прямым откликом на входные сигналы. Все эти характеристики электродвигателей дают беспрецедентное преимущество в производительности.

Вот почему для Tesla как компании было так важно сломать стереотип, который существовал в течение многих лет. Людям нужно было увидеть, что производительность, эффективность и дальность полета могут сосуществовать в электромобиле.Модель S с двухмоторной трансмиссией — самый быстрый седан, который когда-либо производился серийно. Общая мощность двигателя превышает 700 л.с., а он вращается со скоростью 18 000 об / мин — скорости, которую мы раньше встречали только в гоночных автомобилях Формулы-1.

Можно сказать, что электродвигатель — это волшебство с той точки зрения, что он пробуждает бездушную машину.

Изображение электродвигателя в разрезе на выставке в штаб-квартире Tesla в 2013 году (Windell Oskay — CC BY 2.0)

Заряжено: Когда Tesla решает изменить параметр своих автомобилей — например, увеличить пиковый ток батареи или увеличить тяговую мощность — что это означает для вашей команды разработчиков двигателей? У вас есть итеративный процесс проектирования?

Laskaris: На нашем заводе во Фремонте мы производим практически все детали автомобиля собственными силами.У нас есть завод по производству двигателей и обмоток, поэтому мы можем оптимизировать каждый аспект производства двигателей и контролировать качество продукции. Кроме того, мы можем очень быстро вносить изменения в производство, с этой точки зрения мы очень гибкая компания.

Мы можем очень быстро создавать геометрию двигателя и анализировать ее с помощью анализа методом конечных элементов. У нас есть большой компьютерный кластер с более чем 500 ядерными процессорами, на которых работают конечные элементы — типичный персональный компьютер имеет два ядра, может быть, четыре.Это означает, что вы можете создавать множество виртуальных моделей параллельно и выполнять очень большое количество вычислений. По сути, это позволяет нам очень быстро составлять карты потерь и эффективности и видеть — в соответствии с любыми созданными нами метриками — насколько хороша любая конструкция двигателя для приложения, для которого мы разрабатываем.

Заряжено: Похоже, существует бесконечное множество топологий, архитектур и конфигураций электродвигателей. Как начать оценивать и сравнивать все возможные варианты?

Laskaris : Понимание того, что именно должен делать двигатель, — это вещь номер один для оптимизации.Вам нужно знать точные ограничения — именно для чего вы оптимизируете. Как только вы это узнаете, вы сможете использовать передовые компьютерные модели для оценки всего с теми же целями. Это дает вам панорамный обзор того, как будет работать каждая моторная технология. Затем вы идете и выбираете лучшее.

В дизайне автомобилей всегда есть смешение желаний и ограничений. Эти параметры связаны с производительностью, потреблением энергии, конструкцией корпуса, качеством и стоимостью. Все эти показатели в некотором роде конкурируют друг с другом.В идеале вы хотите, чтобы они сосуществовали, но, учитывая ограничения по стоимости, необходимо найти некоторые компромиссы. У электромобиля есть дополнительные проблемы, поскольку использование энергии батареи является очень важным фактором.

У всех будет разное восприятие того, какие компромиссы следует делать. Например, какой запас хода вы готовы потратить на более быстрое ускорение? После того, как эти параметры установлены, вы можете приступить к оценке вариантов и оптимизации.

Заряжено: У вас есть опыт создания алгоритмов, позволяющих компьютерам моделировать работу двигателя в реальном мире.Как эти симуляции превращаются в более совершенные автомобили?

Laskaris: Используемая вами технология или методология математического моделирования очень важна и оказывает огромное влияние на успех электромобилей. Когда я говорю «моделирование», я имею в виду понять математические принципы, лежащие в основе системы, а затем создать программные инструменты, которые точно представляют, как она будет действовать в реальном мире.

Ротор электродвигателя Tesla в 2007 году (Tinou Bao — CC BY 2.0)

Точное моделирование двигателя так важно, потому что с его помощью мы можем оценить гипотетический двигатель до его производства — потери, рабочие характеристики, пульсацию крутящего момента, управление температурой и все, что нас интересует, чтобы классифицировать, насколько хорош или плох двигатель. Таким образом мы избегаем ненужных прототипов и неприятных сюрпризов.

Кроме того, благодаря хорошему моделированию двигателей мы можем добиться наилучшей оптимизации — что означает, что мы можем достичь экзотических характеристик без использования экзотических материалов и экзотических методов производства.

Оптимизация — это искусство перемещаться по различным моторным кандидатам, чтобы увидеть, что хорошо, а что плохо, и в какой степени. Когда вы приступаете к оптимизации, вы понимаете, что без хорошего моделирования это бессмысленно. Это потому, что процесс будет основан на плохом представлении двигателя, и, в конце концов, двигатель не будет действительно оптимальным.

Заряжено: Не могли бы вы привести пример некоторых компромиссов, которые вы бы использовали при моделировании для оптимизации?

Ласкарис: Да.Большую часть времени люди проводят за рулем на шоссе с низким крутящим моментом. Тем не менее, есть много двигателей, которые предлагают отличную производительность 0-60 миль в час, но очень неэффективны в регионах с низким крутящим моментом на шоссе. Итак, вопрос в том, могу ли я получить все — и высокую эффективность, и высокую производительность? К сожалению, нет. Но вы можете делать разумный выбор между конкурирующими друг с другом вещами.

В этом прелесть оптимизации. Вы можете выбрать один из всех вариантов, чтобы получить лучший двигатель с учетом ограничений.Если мы смоделируем все правильно, вы сможете найти двигатель с высокими характеристиками при ограничении 0-60 миль / ч и максимально возможной эффективностью на шоссе.

Другой пример — общий КПД двигателя по сравнению с его стоимостью. Бывают случаи, когда изготовление двигателя более дорогими способами может потенциально повысить эффективность и многократно окупить разницу в стоимости за счет экономии денег на батарее или других аспектах автомобиля. Итак, если вы можете точно смоделировать КПД двигателя и затраты, вы можете сопоставить их с экономией на батареях.Теперь вы можете видеть, что оптимальный двигатель для минимизации общих затрат часто отличается от самого дешевого двигателя.

Все вместе они образуют характерные параметры автомобиля, который вы хотите построить. Это общий подход к тому, как мы начинаем с разработки параметров и заканчиваем окончательной конфигурацией.

Заряжено: На каком этапе вы выполняете тесты физического прототипа, чтобы проверить результаты своих виртуальных моделей?

Laskaris: Мы проводим множество проверочных тестов, прежде чем появится хотя бы прототип для конкретного приложения.Это то, что мы называем экспериментами по характеризации. И они позволяют нам получить известную точку корреляции и увидеть, согласуются ли изолированные инструменты моделирования с реальностью. Таким образом, это последовательное сравнение того, что предсказывает модель, и того, что фактически измеряется. Он может даже не напоминать мотор, это может быть, например, просто крутящийся кусок железа.

Затем мы, конечно же, строим и тестируем полные прототипы.

ПОДРОБНЕЕ: главный инженер Tesla по двигателям обсуждает потенциал технологий двигателей следующего поколения

Эта статья впервые появилась в Charged Issue 21 — September / October 2015.