Содержание
Секрет успеха новых технологий синхронных двигателей электрокаров
В Tesla Model Y, как и в Model 3, используется синхронный двигатель для задних колес, которые являются основными ведущими колесами, а для передних — асинхронный двигатель.
Асинхронный двигатель переменного тока (изобретение самого Николы Теслы) не требует постоянных магнитов. Вместо этого магнитное поле создается током, который протекает через обмотки в статоре.
Но если применить ротор с постоянными магнитами, то больше не нужно индуктировать ток для создания магнитного поля в роторе. Это позволяет избежать потерь и тепловыделения в роторе. Поэтому двигатели с постоянными магнитами в настоящее время являются самыми маленькими и легкими электродвигателями. Так как ротор уже намагничен, он всегда синхронизирован с вращающимся магнитным полем. Вот почему двигатели с постоянными магнитами также относятся к синхронным двигателям.
В большинстве приводных двигателей электромобилей (EV) и гибридных транспортных средств (HEV) используются синхронные двигатели с постоянными магнитами. Раньше Tesla всегда использовала асинхронные двигатели, но теперь также использует синхронные двигатели с постоянными магнитами.
Асинхронные и синхронные двигатели вращаются за счет силы взаимодействия магнитного поля статора и магнитного поля ротора. Статор отвечает за создание вращающегося магнитного поля, взаимодействующего с магнитным полем ротора.
Магнитное поле ротора может быть создано разными способами: в двигателях постоянного тока используются катушки под напряжением, в асинхронных двигателях переменного тока — короткозамкнутые роторы, а в синхронных двигателях переменного тока — постоянные магниты.
Обычные постоянные магниты недостаточно сильны. Хотя их также можно использовать в роторах двигателей, они обладают слабой движущей силой и не подходят для приводных двигателей автомобилей. Но в 1980-х гг. появились супермагниты NdFeB, магнетизм которых был очень сильным. Так, большие неодимовые железо-борные магниты один человек способен был переносить только по отдельности — по одному.
Если бы он случайно приблизился к другому магниту, силы притяжения было бы достаточно, чтобы сломать кости руки рабочего.
Однако стоимость магнитов NdFeB высока, и они боятся высоких температурных потерь. Чтобы улучшить их температурные характеристики, добавляют редкоземельный «диспрозий», но стоимость магнита еще больше повысилась.
Очень важным параметром синхронного двигателя является угол между магнитным полем статора и магнитным полем ротора, как показано на рисунке для углов оси N и оси S. Когда угол составляет 45 градусов (механический угол), сила тяги (или вращающий момент) является наибольшим.
Следовательно, для того чтобы синхронный двигатель мог получить максимальный крутящий момент, необходимо управлять вращающимся магнитным полем статора так, чтобы оно всегда двигалось на 45 градусов перед магнитным полем ротора. Это управление непростое и требует большого количества схемотехнических решений. Необходимо постоянно определять угол и скорость ротора, а затем рассчитывать напряжение, ток и фазу трехфазного электричества, которое генерирует вращающееся магнитное поле.
Продолжение статьи читайте в ноябрьском номере журнала «Наука и техника» за 2021 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.
10 основных достижений Николы Теслы
Никола Тесла (1856 – 1943) родился как этнический серб в деревне Смилян в Австро-Венгерской империи (современная Хорватия). Получив инженерное образование, он поступил в Карлштадтскую реальную школу Иоганна-Рудольфа-Глаубера, политехнический институт в Граце, Австрия, но бросил учебу на третьем курсе. Затем с помощью своих дядей он поступил в Пражский университет. Там он проводил большую часть своего времени в библиотеке и посещал лекции. Воспринимаемый многими как эксцентричный человек, Тесла проявил замечательный талант и воображение, когда он повзрослел, что привело его ко многим значительным научным открытиям, которые продвинули человеческую расу.
Его самым известным изобретением является, пожалуй, катушка Теслы, а его самый известный вклад-в области современной системы электроснабжения переменным током.
Вот 10 основных достижений Николы Теслы, включая его изобретения и вклад в науку.
Многофазный асинхронный двигатель
Асинхронный двигатель, считающийся одним из самых полезных изобретений современности, произвел революцию в области бытовой техники. Хотя первый известный работающий трехфазный асинхронный двигатель переменного тока приписывается Галилео Феррарису в 1885 году, Никола Тесла самостоятельно изобрел свой собственный асинхронный двигатель и подал заявку на патент США в 1887 году. Основанный на принципе вращающихся магнитных полей, его первый асинхронный двигатель производил четверть лошадиной силы при 1800 оборотах в минуту и весил всего 9 кг, что было фантастическим достижением в то время. Он использовал электрическую энергию для производства механической энергии и заменил ручной труд на фабриках.
Трехфазный асинхронный двигатель продолжает широко использоваться в промышленности, домашнем хозяйстве и электрических машинах по всему миру.
Победитель в «битве токов»
“Война токов“ или “битва токов“ относится к конкурентному периоду в 1880-х и 1890-х годах в Америке для внедрения конкурирующих систем передачи электроэнергии. В 1882 году Томас Эдисон основал свою компанию Edison Illuminating Company, чтобы обеспечить электрическое освещение домов и предприятий. С Эдисоном, владеющим всеми ключевыми патентами, его электричество на основе постоянного тока будет продаваться по всей территории Соединенных Штатов.
Ситуация изменилась в середине 1880-х годов, когда Джордж Вестингауз начал заниматься электроосвещением. Он сотрудничал с Теслой и через несколько лет бросил вызов Эдисону и его сторонникам. Напряжение переменного тока можно было увеличивать и уменьшать, а это означало, что передавать его на большие расстояния было проще и дешевле.
В 1888 году Вестингауз приобрел патентные права на многофазную систему динамо-машин, трансформаторов и двигателей переменного тока Теслы. Это привело к ожесточенной словесной войне, скрытой тактике и шумихе в средствах массовой информации о лучшей и более безопасной альтернативе в прибыльном бизнесе обеспечения электроэнергией. Кульминацией войны стал 1893 год, когда Тесла, чтобы доказать свою безопасность, якобы использовал катушку Теслы для передачи электричества через себя, чтобы произвести свет на Всемирной колумбийской выставке. Постоянный ток, поддерживаемый Эдисоном, был опасен и дорог на больших расстояниях, и, несмотря на его усилия реализовать постоянный ток, переменный ток выиграл битву токов. Современная система распределения электроэнергии основана на новаторской работе Николы Теслы.
Читайте также: 12 Удивительных Изобретений Женщин, Которыми Мы Пользуемся Каждый День
Турбина Теслы
Также называемая турбиной без лопастей, турбина Теслы использовала эффект пограничного слоя, а не жидкость, падающую на лопасти, как в обычной турбине.
Она состояла из нескольких плоских стальных дисков, правильно сбалансированных в камере, перемещаемой с помощью входа пара или сжатого воздуха. Пар не оказывает давления на лопасти ротора сбоку, как в других типах, а простреливается между лопастями по краям. Турбина Теслы была запатентована в 1913 году как альтернатива поршневым двигателям. Ее можно было использовать для автомобилей, самолетов и других транспортных средств. Однако она считалась непрактичной и никогда не имела успеха.
Строительство одной из первых гидроэлектростанций
Всемирная колумбийская выставка была всемирной выставкой, проходившей в Чикаго в 1893 году. Она была построена на 686 акрах земли и содержала множество отдельных зданий. В 1892 году «Вестингауз Электрик» сумела перекупить у «Эдисона» и «Дженерал Электрик» контракт на электрификацию этой большой ярмарки. Экспозиция во многом познакомила американцев с чудом электричества. Ее открыл сам президент, нажав на кнопку в Белом доме.
Вестингауз и Тесла не получили никакой прибыли от выставки, но они продемонстрировали безопасность, эффективность и гибкость переменного тока и инноваций Теслы. Успех стал важным фактором в их выигрыше контракта на строительство гидроэлектростанции переменного тока на Ниагарском водопаде, машины с именем Теслы и номерами патентов. Проект обеспечил электроэнергией Буффало к 1896 году и стал одной из первых электростанций такого рода в мире.
Читайте также: 10 невероятных изобретений и проектов Леонардо да Винчи
Катушка Теслы
Продолжая изучать работу Генриха Герца по электромагнитным излучениям и радиоволнам, Тесла попытался запитать катушку Румкорфа высокоскоростным генератором переменного тока. Катушки Румкорфа состояли из первичной и вторичной обмотки для получения высоких напряжений. Тесла вскоре обнаружил, что высокочастотный ток расплавляет изоляцию между первичной и вторичной обмотками в катушке. Это привело Теслу к идее использования воздушного зазора вместо изоляционного материала между первичной и вторичной обмотками; и железный сердечник, который можно было перемещать в разные положения внутри или снаружи катушки.
Эти изменения привели к изобретению катушки Теслы. Она была запатентована в 1891 году, и, хотя он запатентовал аналогичные схемы в предыдущие периоды, в этом были все элементы катушки Теслы. Поистине революционное нововведение, катушка Тесла смогла беспроволочно передать электричество. Это привело к тому, что увеличительный передатчик лег в основу мечты Теслы о беспроводном электричестве. Технология широко используется в радиоприемниках, телевизорах и другой электронной аппаратуре.
Он изобрел электромеханический генератор
В 1893 году Никола Тесла запатентовал паровой электрический генератор, известный как электромеханический генератор Теслы. Генератор Теслы — это возвратно-поступательный генератор электричества. В нем пар нагнетается в генератор и выходит через ряд отверстий. Пар толкает поршень вверх и вниз, который прикреплен к якорю. Это заставляет его вибрировать вверх и вниз с высокой скоростью, производя электричество.
Другая вариация машины использует электромагниты для управления частотой колебаний поршня. Тесла разработал много вариантов своего электромеханического генератора, поскольку он хотел, чтобы он заменил неэффективные поршневые паровые двигатели, используемые для вращения генераторов. Однако в конечном счете это было достигнуто за счет разработки высокоэффективных паровых турбин.
Читайте также: Исторические личности, которые страдали психическими заболеваниями
Тесла внес важный вклад в развитие радиотехники
В 1895 году Никола Тесла готовился послать свой первый радиосигнал примерно за 32 км, но инцидент с горящей лабораторией задержал его планы испытаний. В 1896 году Гульельмо Маркони получил патент на свое радиоприемное устройство, основанное на 2 схемах в Англии. В 1897 году Тесла представил свой патент на многоцепное радиоприемное устройство, который был присужден в 1900 году в Соединенных Штатах. Это привело к отказу от патента Маркони в США в 1900 году.
Однако Маркони был богатым человеком и имел семейные связи с английской аристократией. Его компания Marconi Wireless Telegraph передавала радиосигнал через Атлантику, нарушая многие патенты Теслы. В 1904 году Патентное ведомство США неожиданно отменило свое решение 1900 года и выдало патент Маркони. В 1915 году Тесла подал в суд на компанию Маркони, но был финансово слаб, чтобы бороться с корпорацией.
В 1943 году, уже после смерти Теслы и Маркони, патентное ведомство США поддержало патент Теслы на радио. Можно отметить, что компания Маркони подала в суд на правительство Соединенных Штатов за использование своих патентов в Первой мировой войне, и суд просто избежал иска, восстановив приоритет патента Теслы над Маркони. Изобретение радио-неоднозначная тема со многими претендентами, но огромный вклад Теслы в области радиотехники не вызывает сомнений.
Первый в мире беспроводной пульт дистанционного управления
На электрической выставке в Мэддисон-Сквер-Гарден в 1898 году Никола Тесла ошеломил публику своим последним изобретением.
В первом известном примере использования дистанционного управления Тесла будет управлять лодкой издалека с помощью технологии радиоволн. Позже Тесла попытался продать американским военным технологию, которую он назвал “телеавтоматика“, как тип радиоуправляемой торпеды, но они проявили мало интереса. Однако технология радиоуправления продолжала развиваться на протяжении многих лет, пока не начала использоваться для таких устройств, как телевизоры, DVD-плееры и т. д.
Развитие рентгеновских лучей
Заметив повреждения на своих фотографиях, Тесла начал исследовать причину проблемы в 1894 году. Но его исследования сгорели в огне, который поглотил его лабораторию в 1895 году. Несколько месяцев спустя, в декабре, Вильгельм Конрад Рентген обнародовал свое открытие “рентгеновских лучей“. Несмотря на это открытие, Тесла продолжал свои эксперименты, пытаясь построить свою собственную машину, которая будет производить изображения, которые он назвал теневыми графами.
Тесла правильно понял, что сильные тени могут быть получены только на больших расстояниях объект-пленка и с коротким временем экспозиции; и что толстые стены производили лучи с большей проникающей способностью. Он также был первым, кто прокомментировал биологическую опасность рентгеновских лучей. Он сделал рентгеновский снимок или теневой снимок ноги с ботинком на ней и послал его с поздравительным письмом Рентгену. Рентген в свою очередь написал: “Уважаемый сэр! Вы меня очень удивили прекрасными фотографиями чудесных разрядов, и я вам очень благодарен за это. Если бы я только знал, как вы делаете такие вещи! С выражением особого уважения я остаюсь вашим преданным, В. К. Рентген.“
Читайте также: Изобретатели, убитые собственными изобретениями
Никола Тесла имел около 300 патентов
Тесла был плодовитым изобретателем и имел около 300 патентов по всему миру. Некоторые из своих изобретений он не запатентовал, а некоторые спрятал в патентных архивах.
Известно, что по меньшей мере 278 патентов были выданы Тесле в 26 странах, в основном в Соединенных Штатах, Великобритании и Канаде. Патенты включают динамо-электрическую машину, электромагнитный двигатель, электрическую лампу накаливания, электрические распределительные системы и генераторы, жидкостные двигательные установки и сигнальные системы. Никола Тесла считается одним из величайших ученых в истории.
Никола Тесла и беспроводное электричество
В 1901 году Тесла получил 150 000 долларов от J. P. Morgan, передав ему 51% всех полученных патентов на беспроводную связь. Так началась его работа в Уорденклиффской башне на северном берегу Лонг-Айленда. С помощью этой грандиозной башни Тесла намеревался передавать сообщения, телефонию и изображения через Атлантику, но в декабре 1901 года Маркони успешно передал букву S из Англии в Ньюфаундленд, победив Теслу.
Тесла решил расширить проект, добавив к нему свою мечту о беспроводной передаче энергии, но Морган отказался предоставить какие-либо дополнительные средства.
Многие утверждают, что это был скрытый план Теслы все время, чтобы выполнить его давнюю мечту о беспроводном электричестве для всей планеты. Тесла продолжал проект еще девять месяцев в 1902 году, но нехватка средств в конечном итоге вынудила его закрыть. Тесла будет продолжать свои усилия по получению финансирования для своего амбициозного проекта беспроводного электричества, но не найдет никаких сторонников.
Асинхронные двигатели постоянного тока в сравнении с бесщеточными двигателями постоянного тока
Уолли Риппель — давний сторонник электромобилей. До прихода в Tesla Motors он был инженером в AeroVironment, где помогал разрабатывать EV1 для General Motors и снялся в документальном фильме «Кто убил электромобиль?». Уолли также работал в Лаборатории реактивного движения, занимаясь исследованиями аккумуляторов электромобилей, среди прочих проектов. В 1968 году, будучи студентом бакалавриата Калифорнийского технологического института , он построил электромобиль (преобразованный 1958 Volkswagen microbus) и выиграл Большую трансконтинентальную гонку электромобилей против Массачусетского технологического института.
Один размер не подходит всем
В этом одиозном мире автомобилей, работающих на газе, не все двигатели одинаковы. Существуют конфигурации с плоской головкой, Hemis, прямые, оппозитные и V-образные. И так далее. Можно было бы подумать, что много лет назад кто-то вычислил, что лучше. Это положило бы конец всем выборам, и после этого в производстве оставался бы только один лучший тип двигателя. Не так. Не существует какого-то одного лучшего типа двигателя, существуют различные типы двигателей, соответствующие личным требованиям, таким как цена и производительность. Это справедливо и для приводов электромобилей.
Когда у меня были волосы на голове и я носил с собой логарифмическую линейку, у меня были свинцово-кислотные батареи, щеточные двигатели постоянного тока и контакторные контроллеры. Сегодня ничего из этого не осталось (включая мои волосы). Свинец был заменен литием, а постоянный ток — бесщеточным или индукционным. Тем временем контакторы уступили место модулирующим инверторам.
Так каждый из этих элементов тоже устареет в ближайшем будущем или не исключено, что какая-то «стабильность» может быть под рукой? Без хорошего хрустального шара трудно предсказать будущее. Однако я предполагаю, что мы увидим, как индукционные, так и бесщеточные машины будут «соперничать» в течение многих лет. У каждого будут свои верные сторонники и религиозные противники.
Пристальный взгляд
Так что же это за две технологии? Как они работают? Что их отличает? И что у них общего? Начнем с бесщеточных приводов постоянного тока.
В бесщеточных машинах ротор включает два или более постоянных магнита, которые создают магнитное поле постоянного тока (если смотреть с точки зрения ротора). В свою очередь, это магнитное поле входит в сердечник статора (сердечник, состоящий из тонких, уложенных друг на друга пластин) и взаимодействует с токами, протекающими внутри обмоток, создавая взаимодействие крутящего момента между ротором и статором. Когда ротор вращается, необходимо, чтобы величина и полярность токов статора постоянно менялись – и только правильным образом – так, чтобы крутящий момент оставался постоянным, а преобразование электрической энергии в механическую было оптимально эффективным.
Устройство, которое обеспечивает такое управление током, называется инвертором. Без него бесколлекторные двигатели бесполезны.
Перейдем к асинхронным двигателям. Предшественник трехфазного асинхронного двигателя был изобретен Николой Теслой незадолго до 1889 года. Любопытно, что статоры для трехфазного асинхронного двигателя и бесщеточного двигателя постоянного тока практически идентичны. Оба имеют три набора «распределенных обмоток», которые вставлены в сердечник статора. Существенная разница между двумя машинами заключается в роторе.
В отличие от бесщеточного ротора постоянного тока, индукционный ротор не имеет магнитов — просто уложенные друг на друга стальные пластины с заглубленными периферийными проводниками, которые образуют «закороченную структуру». Токи, протекающие в обмотках статора, создают вращающееся магнитное поле, которое входит в ротор. В свою очередь, частота этого магнитного поля, «видимая» ротором, равна разнице между приложенной электрической частотой и «частотой» вращения самого ротора.
Соответственно, на короткозамкнутой конструкции существует индуцированное напряжение, пропорциональное этой разнице скоростей между ротором и электрической частотой. В ответ на это напряжение в проводниках ротора возникают токи, которые примерно пропорциональны напряжению и, следовательно, разнице скоростей. Наконец, эти токи взаимодействуют с первоначальным магнитным полем, создавая силы, компонентом которых является желаемый крутящий момент ротора.
Когда 3-фазный асинхронный двигатель подключен к 3-фазной сети общего пользования, вначале создается крутящий момент; двигатель имеет возможность запуска под нагрузкой. Инвертор не нужен. (Если бы инвертор был нужен, изобретение Теслы было бы бесполезным примерно до 1960-х годов.) Тот факт, что асинхронные двигатели напрямую совместимы с обычной электроэнергией, является основной причиной их успеха. Напротив, бесщеточный двигатель постоянного тока не создает пускового момента при прямом подключении к электросети фиксированной частоты.
Им действительно нужна помощь инвертора, «фаза» которого поддерживается в соответствии с угловым положением ротора.
Хотя трехфазные асинхронные двигатели очень полезны, они также имеют некоторые серьезные ограничения. Они не могут работать от постоянного тока; АС обязателен. Скорость вала пропорциональна частоте сети. Следовательно, при использовании с электроэнергией они являются машинами с постоянной скоростью. Наконец, при работе от сети они имеют ограниченный пусковой крутящий момент и несколько ограниченные возможности пикового крутящего момента по сравнению с машинами постоянного тока.
Добавьте инвертор (без обратной связи) и станет возможным питание асинхронной машины от аккумулятора или другого источника постоянного тока; переменная скорость также становится возможной, просто регулируя частоту инвертора. Тем не менее, характеристики крутящего момента низкие по сравнению с машинами постоянного тока. Добавьте несколько контуров обратной связи, чтобы инвертор вырабатывал именно ту частоту, которую «желает» двигатель, и теперь асинхронный двигатель способен конкурировать с бесщеточными двигателями постоянного и постоянного тока в автомобильных приложениях.
Бесщеточный или индукционный?
Еще в 1990-х годах все электромобили, кроме одного, приводились в действие бесщеточными приводами постоянного тока. Сегодня все без исключения гибриды питаются от бесколлекторных приводов постоянного тока. Единственным заметным использованием индукционных приводов был General Motors EV-1; автомобили с двигателем переменного тока, в том числе тцеро; и родстер Тесла.
Как в бесщеточных, так и в асинхронных приводах постоянного тока используются двигатели с одинаковыми статорами. Оба привода используют 3-фазные модулирующие инверторы. Единственными отличиями являются роторы и управление инвертором. А с цифровыми контроллерами единственная разница в управлении заключается в коде управления. (Для бесщеточных приводов постоянного тока требуется датчик абсолютного положения, а для асинхронных приводов требуется только датчик скорости; эти различия относительно невелики.)
Одно из основных отличий заключается в том, что при использовании бесщеточного привода постоянного тока ротор генерирует гораздо меньше тепла.
Охлаждение ротора проще, а эффективность в пиковой точке, как правило, выше для этого привода. Бесщеточный привод постоянного тока также может работать с коэффициентом мощности, равным единице, тогда как наилучший коэффициент мощности для асинхронного привода составляет около 85 процентов. Это означает, что пиковая энергоэффективность бесщеточного привода постоянного тока обычно на несколько процентных пунктов выше, чем у асинхронного привода.
В идеальном бесщеточном приводе сила магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, должна регулироваться. Когда требуется максимальный крутящий момент, особенно на низких скоростях, напряженность магнитного поля (B) должна быть максимальной, чтобы токи инвертора и двигателя поддерживались на минимально возможных значениях. Это сводит к минимуму потери I² R (сопротивление тока²) и тем самым оптимизирует эффективность. Аналогичным образом, когда уровни крутящего момента низкие, поле B должно быть уменьшено, чтобы также уменьшить потери на вихревые и гистерезисные колебания из-за B.
В идеале B следует отрегулировать таким образом, чтобы сумма потерь на завихрения, гистерезиса и I² была минимизирована. К сожалению, нет простого способа изменить B с помощью постоянных магнитов.
Асинхронные машины, напротив, не имеют магнитов, а поля B являются «регулируемыми», так как B пропорционально V/f (отношение напряжения к частоте). Это означает, что при малых нагрузках инвертор может снижать напряжение таким образом, что уменьшаются магнитные потери и достигается максимальный КПД. Таким образом, асинхронная машина при работе с интеллектуальным инвертором имеет преимущество перед бесщеточной машиной постоянного тока — магнитные потери и потери проводимости можно компенсировать, чтобы оптимизировать эффективность. Это преимущество становится все более важным по мере увеличения производительности. При использовании бесщеточных двигателей постоянного тока по мере увеличения размера машины магнитные потери увеличиваются пропорционально, а эффективность при частичной нагрузке падает.
При индукции по мере увеличения размера машины потери не обязательно растут. Таким образом, индукционные приводы могут быть предпочтительным подходом, когда требуется высокая производительность; пиковая эффективность будет немного меньше, чем у бесколлекторного двигателя постоянного тока, но средняя эффективность может быть лучше.
Постоянные магниты стоят дорого — около 50 долларов за килограмм. С роторами с постоянными магнитами (PM) также трудно обращаться из-за очень больших сил, которые возникают, когда к ним приближается что-либо из ферромагнитных материалов. Это означает, что асинхронные двигатели, скорее всего, сохранят ценовое преимущество перед машинами с постоянными магнитами. Кроме того, из-за способности асинхронных машин ослаблять поле номинальные характеристики и стоимость инверторов оказываются ниже, особенно для высокопроизводительных приводов. Поскольку вращающиеся индукционные машины производят мало напряжения или вообще не производят его при снятии возбуждения, их легче защитить.
Чуть не забыл: индукционными машинами сложнее управлять. Законы управления более сложны и трудны для понимания. Достижение стабильности во всем диапазоне крутящего момента-скорости и перегрева сложнее с индукцией, чем с бесщеточным двигателем постоянного тока. Это означает дополнительные затраты на разработку, но, скорее всего, незначительные текущие расходы или их отсутствие.
Все еще не победитель
Мой вывод состоит в том, что бесколлекторные приводы постоянного тока, скорее всего, продолжат доминировать на рынке гибридных и подключаемых гибридных систем, а индукционные приводы, вероятно, сохранят доминирование среди высокопроизводительных чисто электрических приводов. Вопрос в том, что произойдет, когда гибриды станут более энергоемкими и повысят их производительность? Тот факт, что так много аппаратного обеспечения является общим для обоих приводов, может означать, что мы увидим индукционные и бесщеточные двигатели постоянного тока вживую и будем работать бок о бок в грядущую золотую эру гибридных и электрических транспортных средств.
Двигатель Tesla Model 3 — все, что я смог о нем узнать (Добро пожаловать в машину)
Любой энтузиаст Tesla прекрасно знает, что название, первоначально выбранное для того, что тогда называлось Tesla Motors, было основано на конструкции двигателя, приписываемой Николе. Тесла, живший в 19 веке. Практически каждый автомобиль, произведенный Tesla, от родстера до модели S и модели X, приводился в действие 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 своих якорей в 19 веке.60-е годы, когда Силиконовая долина пришла на помощь с цифровой электроникой. Это было примерно в 1990 году, когда инженер-индивидуалист Алан Коккони разработал один из первых портативных инверторов , устройство, которое превращает постоянный ток (DC) в аккумуляторе 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 добавил улучшенную версию этой трансмиссии в спортивный автомобиль tZERO, который позже был обнаружен соучредителями Tesla Motors Мартином Эберхардом и Марком. Тарпеннингом, а чуть позже Илоном Маском.
Tesla получит лицензию на технологию трансмиссии tZERO для родстера. Эти исторические точки, как они были связаны, 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 для него не требуются постоянные магниты. Постоянные магниты достаточной мощности, чтобы раскрутить двигатель электромобиля, обычно изготавливаются из редкоземельных металлов, которые печально известны такими свойствами, как высокая начальная стоимость, возможность размагничивания или поломки, проблемы с поставками и изменчивость цен.
Но 9Транзистор 0011 позволил использовать асинхронный двигатель без ПМ в транспортном секторе. В асинхронном двигателе используются электромагниты (катушки проволоки, намотанные на сердечник из черного металла), которые можно включать и выключать — или переключать — много раз в секунду благодаря транзисторам с эзотерическими названиями, такими как Комплементарный оксид металла. Полевой транзистор (MOS-FET) и, позднее, Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) .
Асинхронный двигатель, конечно, отличная машина. Но это не идеально. В реализации Теслы используется дорогостоящий и сложный в литье ротор, изготовленный из чистой меди. А из-за особенностей работы асинхронных двигателей ротор имеет тенденцию нагреваться и даже может перегреваться. 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 дверь всегда была открыта для более эффективного и менее дорогостоящего решения.
К модели 3
Как оказалось, модель 3 не приводится в действие асинхронным двигателем. Ух ты. Учитывая, что асинхронный двигатель носит имя Теслы, мы хотим знать, почему. В чем дело? Какой мотор компания использовала вместо него? Но Тесла молчит. Хорошо, они немного говорят. Нас предупредили о предстоящих изменениях еще в 2015 году, когда главный технический директор Tesla Дж. Б. Штраубель сообщил нам, что Model 3 будет поставляться с « новой технологией двигателя». ». В конце 2017 года нас также предупредили, когда появился документ EPA, в котором указывалось, что в Model 3 используется … двигатель с постоянными магнитами. Двойное вау. Это было подтверждено ранее в этом году, когда статья в Charged процитировал главного конструктора двигателей Tesla Константиноса Ласкариса, который так охарактеризовал новый двигатель: «Итак, как вы знаете, наша модель 3 теперь имеет машину с постоянными магнитами. Это связано с тем, что с точки зрения производительности и эффективности машина с постоянными магнитами лучше справилась с нашей функцией минимизации затрат и была оптимальной для заданного диапазона и 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. На самом деле, документ EPA фактически указал тип двигателя — с опечаткой — как «AC 3 PHASE PERMENENT MAGNET» (для справки, Chevy Bolt EV использует 3-фазный двигатель с постоянными магнитами). Но я считаю, что это все, что мы можем сказать, что мы знаем . С этого момента это предположения. Догадки. Тем не менее, это догадки, когда части головоломки начинают довольно хорошо сочетаться друг с другом. Давайте посмотрим, сможем ли мы установить, действительно ли в Model 3 используется тот же тип двигателя, что и, скажем, в Bolt, как это и появилось впервые.
Ввести гуру по разборке автомобилей «Ingineerix». В феврале Ingineerix опубликовал серию увлекательных видеороликов, посвященных работе 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.
. Очень подробный материал, который, насколько мне известно, ранее публично не объяснялся. Кажется, парень действительно знает свое дело. Я обратился к Ingineerix в разделе комментариев к видео, где он сообщил, что в автомобиле есть «переключаемый реактивный двигатель с использованием постоянных магнитов». Ingineerix продолжил: «Tesla называет это PMSRM, реактивным двигателем с переключаемым постоянным магнитом. Это новый тип, и его очень трудно сделать правильно, но Тесла сделал это!»
Ну привет. Это действительно лошадь совсем другого цвета. Мало кто слышал о переключаемом реактивном двигателе. Что это за животное? И как можно назвать что-то, что разгоняет автомобиль весом 3800 фунтов до 60 миль в час примерно за 5 секунд, сопротивляющимся ? Давайте ответим на оба эти вопроса по пути к открытию нескольких кусочков головоломки.
Чтобы лучше понять, что такое , достойный модели 3, о 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 моторист, просто обратите внимание на одно наблюдение относительно мотора: индукция часть названия технологии связана с тем фактом, что вместо размещения на роторе дорогостоящих постоянных магнитов большое магнитное поле, создаваемое неподвижной частью двигателя (статором), фактически индуцирует противоположное магнитное поле. на высокопроводящем медном роторе. И мы знаем, что происходит, когда взаимодействуют два противоположных магнитных поля: они притягиваются друг к другу. Если у вас есть магнит на кухонном столе, и вы поднесете рядом другой магнит противоположной полярности, магнит в вашей руке притянет другой магнит к себе. Точно так же, когда два противоположных магнитных поля, генерируемые внутри двигателя Ludicrous Model S P100D, взаимодействуют… автомобиль взлетает, как летучая мышь из ада.
Разве наука — это не весело?
Реактивный двигатель способен на подобное волшебство. Однако в данном случае конструкция не основана на двух магнитных полях, взаимодействующих друг с другом.
Есть только одного магнитного поля. Как это может быть? Что ж, вернитесь к тому кухонному столу и замените один из этих магнитов небольшим куском железа или стали. Что происходит, когда вы приближаете оставшийся магнит к металлу? Магнит, конечно, притянет кусок металла к себе. А что, если бы вы сделали ротор для электродвигателя просто из очищенного куска стали, но сохранили существующие электромагниты в статоре? Поскольку электромагниты включаются и выключаются в правильной последовательности, они заставляют вращаться стальной цилиндр. Поздравляем, вы только что спроектировали реактивный двигатель! А то что электромагнитов последовательно включает и выключает , чтобы вращать ротор (как в случае с асинхронным двигателем), у вас есть то, что называется Реактивно-реактивная машина .
Кусочки головоломки
Давайте представим на мгновение, что вам поручили разработать новый двигатель для Model 3. Илон Маск указал, что ваш проект 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 своего брата. Что бы ты сделал?
Вы бы подумали о том, чтобы устроиться на работу в McDonald’s, который находится недалеко от завода во Фримонте. Нет, нет — после того. Вот подсказка: вы изучите все существующие архитектуры электродвигателей. При этом вы столкнетесь с конструкцией, которая на самом деле старше изобретения Николы Теслы 1892 года. Более 50 лет назад в 1838 году была изобретена машина сопротивления. И у нее удивительно приятный дизайн. Реактивная машина проста, эффективна и компактна. Да и производство недорогое. Тем не менее реактивный двигатель пролежал на полке более века, страдая от изнурительной болезни под названием 9.0011 Пульсация крутящего момента (из-за склонности машины нежелания вызывать явление, известное как зубчатое зацепление). Пульсации крутящего момента просто означают, что выходная мощность реактивного двигателя колеблется вверх и вниз.
Конечно, для электромобиля это не очень хорошо. Когда вы вдавливаете педаль в пол, вам нужен хороший плавный разгон.
Машину сопротивления частично спасла та же технология, которая позволила поставить асинхронный двигатель в электромобиль — силовая электроника из Кремниевой долины. Общеизвестно, что реактивным двигателем трудно управлять (обороты, определение положения ротора и т. д.), но современные инверторы и системы управления помогли решить эту проблему. Тем не менее, проблема пульсаций крутящего момента оставалась проблемой даже по мере приближения 21-го -го -го века. Но поковырявшись, начинаешь замечать некоторые исследования на эту тему, имевшие место в первом десятилетии этого века. Вы сталкиваетесь с исследовательской работой 2011 года, в которой утверждается, что проблема пульсаций 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 утверждалось, что с включением редкоземельных элементов выходная мощность увеличилась на 30%. Теперь есть некоторые основные принципы мышления. Тот, кто первым подумал о шнуровке статора редкоземельными элементами, по-видимому, придумал величайшее бракосочетание с тех пор, как кто-то подумал окунуть плитку шоколада в банку с арахисовым маслом, получив чашку Reese’s Peanut Butter Cup.
Ваши мысли сливаются воедино. После того, как были решены две основные проблемы машины сопротивления, вы делаете решительный шаг и начинаете работать с этой конструкцией. Первое, что вы можете сделать, это отказаться от этого дорогого медного ротора в устаревшем двигателе и заменить его гораздо более дешевым ротором из черного металла. Наверное сталь. И, вероятно, кремнистая сталь. Вы только что сэкономили кучу денег. Далее, несмотря на то, что редкоземельные элементы дороги, они входят в число 9.0003 статор , а не ротор , как в традиционном двигателе с постоянными магнитами, поэтому вы будете дополнять электромагниты относительно небольшими постоянными магнитами.
Выбранная вами конструкция имеет некоторые проблемы с акустическим шумом, но вы считаете, что стоит придерживаться этой конструкции, потому что это самый простой и дешевый двигатель, но при этом очень эффективный и мощный (особенно с этими редкоземельными элементами). Отличная работа!
Итак, первая часть головоломки в теории о том, что Тесла поместила вентильный реактивный двигатель в Модель 3, — это магниты. Мы знаем, что они там, и теперь мы знаем, что одним из последних достижений в конструкции двигателей является включение редкоземельных элементов в статор реактивной машины. Это огромно. Он вывел машину нежелания из нафталина!
Еще один признак того, что в двигателе модели 3 не используются эти редкоземельные элементы в конструкции обычного двигателя с постоянными магнитами, заключается в том, что автомобиль не выполняет рекуперацию вплоть до 0 миль в час. Например, у Bolt есть обычный трехфазный двигатель с постоянными магнитами, который позволяет ему выполнять рекуперацию до 0 миль в час.
Я убедился в этом сам в прошлом году, когда тестировал Bolt – можно остановиться, не нажимая на тормоз. Мы называем эту часть головоломки номером 2.
Вот еще: Наклейка «дилер» на Model 3 в автосалонах означает «Три фазы, шестиполюсный , двигатель с внутренними постоянными магнитами». Асинхронный двигатель Tesla имеет 4-полюсную конструкцию, как и многие электродвигатели. Почему тогда шестиполюсный двигатель? Это отсылка к способу подключения катушек на статоре для работы с 3-фазным питанием (три отдельные силовые ветви). Чем меньше расстояние между полюсами, тем меньше времени может быть для падения крутящего момента. Возможно, это способ Теслы еще больше сгладить колебания крутящего момента. Это часть головоломки № 3.
Часть головоломки № 4 заключается в том, что различные публикации по инженерным наукам и двигателям начинают говорить о реактивной машине (см. ссылки на статьи ниже). И мы начинаем видеть, как неохотный дизайн появляется в электромобилях, таких как Prius.
Кроме того, UPS объявила, что в программе по переводу их автопарка на электроэнергию будет использоваться импульсно-реактивная машина. Компания утверждает, что внедрение реактивного двигателя по сравнению с другими конструкциями сократит время зарядки и повысит энергоэффективность до 20% (однако компания дистанцируется от использования редкоземельных магнитов). И, в целом, промышленные приложения для обновленных конструкций реактивных двигателей начинают появляться. Например, в последние CleanTechnica статья, компания Software Motor Company (SMC) заявляет, что ее новая неохотная конструкция машины — с тем, что они называют собственной версией «секретного соуса», — сэкономит 50% затрат на электроэнергию по сравнению с текущими асинхронными двигателями, используемыми в Walmart. для HVAC и т. д.
Наконец, двигатель модели 3 действительно меньше, чем двигатель модели S. В недавнем видео Джека Рикарда EVTV, посвященном изучению Model 3, Джек утверждал, что двигатель Model 3 на самом деле меньше, чем даже меньший передний двигатель на Model S.
Тем не менее, производительность не была чрезмерно скомпрометирована. Некоторые владельцы сообщили, что их Model 3 разгоняется от 0 до 60 раз быстрее, чем 4,8 секунды. Это, конечно, отчасти связано с меньшим весом на 1000 фунтов, чем у S, но все же давайте условно назовем этот кусочек головоломки № 5.
Дальнейшее подтверждение части № 5 исходит из продолжающихся комментариев Рикарда, который все еще находился под машиной (Рикард, кстати, зашел так далеко в кроличью нору трансмиссии Теслы, о ком я когда-либо слышал). Экстраполируя документы Агентства по охране окружающей среды США, Джек называет «потерю батареи на колеса» у Model 3 на 6 процентных пунктов более эффективной, чем у Model S (89% электроэнергии преобразуется в движение вперед по сравнению с 83% у S).
Фотография мотора Tesla Model 3 из-под автомобиля. Предоставлено EVTV.
Краткая информация
Благодаря прорыву в конструкции электромобилей за последние несколько лет мы можем стать свидетелями кардинальных изменений в отношении трансмиссии для рынка электромобилей.
Учитывая отчеты о производительности Model 3, отчетный скачок в милях на кВтч, о котором владельцы сообщают по сравнению с предыдущими моделями Tesla, а также наши 5 простых кусочков головоломки, можно сделать разумную ставку на то, что Tesla усовершенствовала машину нежелания и при этом так вытащил инженерного кролика из шляпы.
Независимо от точной конструкции двигателя, Tesla явно добилась успеха с трансмиссией Model 3. Они дали своей команде дизайнеров двигателей если не карт-бланш, то чистую доску, и команда придумала дизайн, подходящий не только для доступного электромобиля, но и для будущего Tesla Semi.
Обратите внимание, что главный конструктор Ласкарис присоединился к Tesla после того, как Model S была разработана. Его голова, должно быть, была полна свежих идей, когда он ранее был одним из основателей проекта по разработке и созданию эффективного электромобиля. Как и Штраубель, Ласкарис тяготел к Тесле, уже имея представление о том, что будущее за электричеством.
Конструкция двигателя 3 также помогла Tesla достичь заявленной цели по сокращению количества деталей на 25% за счет того, что двигатель выполняет двойную функцию в качестве источника тепла для обогрева тяговой батареи. ( Примечание: Тесла был настолько впечатлен талантами, вырастающими из школы, которую Ласкарис посещал в Греции, что компания создала в стране небольшой исследовательский центр. )
еще предстоит проверить, учитывая внезапные разговоры со многих кругов о столь многих применениях этой моторной технологии, трудно поверить, что Тесла не занял бы место в первом ряду на этом мероприятии. В общем, вполне возможно, что 2018 год станет годом реактивного двигателя. Добро пожаловать в машину.
Дополнительные ссылки:
Понимание машин с сопротивлением:
Статья Wiki
Статья MachineDesign.com
Заряженный электромобиль;
Добавление постоянных магнитов к реактивным двигателям
Документ IEEE
Технический документ 2011 г.