Чому автомобіль Tesla використовує двигун змінного струму замість постійного?

Я просто дивився мега-фабричне відео і цікавився, чому вони використовують двигун змінного струму, який потребує інвертора живлення замість постійного струму, який може живитись безпосередньо від їх постійного струму? Введення інвертора означає більше витрат (вага, контролер тощо).

Чи є на це причини? Які відмінності між двигуном змінного та постійного струму можуть призвести до такого рішення? Також хтось знає, який мотор використовується в інших електромобілях?

Ви запитуєте про технічні вигоди щодо вибору тягового двигуна для застосування електромобіля. Опис повної торгової сфери дизайну є набагато вищим за те, що тут можна обґрунтувати, але я окреслю видатні дизайнерські компроміси для такої програми.

Оскільки кількість енергії, яка може зберігатися хімічно (тобто в акумуляторі), досить обмежена, майже всі електромобілі розроблені з урахуванням ефективності. Більшість тягових двигунів транзитного застосування для автомобільних застосувань коливається від 60 кВт до 300 кВт пікової потужності. Закон Ома вказує, що втрати електроенергії в кабельних, обмотках двигуна та акумуляторних з'єднаннях P = I ² R. Таким чином, зменшення вдвічі струму зменшує питомі втрати на 4 рази. Як результат, більшість автомобільних застосувань працює при номінальній напрузі постійного струму між 288 і 360 В _ном (є й інші причини цього вибору напруги, але зупинимось на втратах). Напруга живлення є актуальною у цій дискусії, оскільки деякі двигуни, як щітка DC, мають практичні верхні межі напруги живлення через дугу комутатора.

Ігноруючи більш екзотичні моторні технології, такі як перемикання / змінне небажання, є три основні категорії електродвигунів, що використовуються в автомобільних додатках:

Щітковий двигун постійного струму : механічно зафіксований, для регулювання крутного моменту потрібен лише простий «подрібнювач» постійного струму. Хоча щіточні двигуни постійного струму можуть мати постійні магніти, розмір магнітів для тягових застосувань робить їх невигідними. Як наслідок, більшість тягових двигунів постійного струму мають намотування серійного чи шунтування. У такій конфігурації є обмотки як статора, так і ротора.

Безщітковий двигун постійного струму (BLDC): електронно комутується інвертором, постійними магнітами на роторі, обмотками на статорі.

Індукційний двигун : електронно комутується інвертором, індукційним ротором, обмотками на статорі.

Далі наведено кілька сміливих узагальнень щодо компромісів між трьома моторними технологіями. Є безліч точкових прикладів, які будуть протистояти цим параметрам; моя мета лише поділитися тим, що я вважав би номінальними значеннями для цього типу додатків.

- ККД:
кисть постійного струму: двигун: ~ 80%, контролер постійного струму: ~ 94% (пасивний відкат), NET = 75%
BLDC: ~ 93%, інвертор: ~ 97% (синхронний відкат або гістерезичний контроль), NET = 90%
Індукція: ~ 91%: інвертор: 97% (синхронний відкат або гістерезичний контроль), NET = 88%

- Знос / обслуговування:
кисть постійного струму: кисті, що підлягають зносу; вимагають періодичної заміни. Підшипники
BLDC: Підшипники (термін експлуатації)
Індукція: Підшипники (термін експлуатації)

- питома вартість (ціна за кВт), в той числі инверторной
пензлика DC: Низький - двигун і контролер , як правило , недорогий
BLDC: Високі - висока потужність постійних магніти є дуже дорогою
Індукцією: Помірні - Інвертори додати вартість, але двигун дешевий

-
Щітка відхилення тепла постійним струмом: обмотки на роторі роблять відведення тепла як від ротора, так і від комутатора, викликаючи складність з двигунами високої потужності.
BLDC: Обмотки на статорі відводять тепло відверто. Магніти на роторі мають нагрівання, спричинені низьким помірним вихровим струмом.
Індукція: обмотки на статорі роблять відхилення тепла статора прямо. Індуковані струми в роторі можуть вимагати охолодження масла у додатках з високою потужністю (вхід і вихід через вал, а не бризок).

- Поведінка крутного моменту / швидкості
Щітка постійного струму: Теоретично нескінченний крутний момент з нульовою швидкістю, крутний момент падає зі збільшенням швидкості. Для автомобільних застосувань кисті постійного струму зазвичай потрібні 3-4 передачі, щоб охопити повний автомобільний діапазон класу та максимальну швидкість. Я проїхав 24 кВт постійного струму з моторним двигуном протягом декількох років, який міг запалити шини з простою (але намагався дістатися до 65 МПГ).
BLDC: Постійний крутний момент до базової швидкості, постійна потужність до максимальної швидкості. Автомобільні додатки життєздатні з коробкою передач з одним співвідношенням.
Індукція: постійний крутний момент до базової швидкості, постійна потужність до максимальної швидкості. Автомобільні додатки життєздатні з коробкою передач з одним співвідношенням. Може стягнути сотні мс для нарощування крутного моменту після застосування струму

- Різне:
Щітка постійного струму: При високих напругах дуга комутатора може бути проблематичною. Щітові двигуни постійного струму канонічно використовуються у гольф-колясках та навантажувачах (24В або 48В), хоча нові моделі індукційні завдяки підвищеній ефективності. Регресивне гальмування є складним і вимагає більш складного регулятора швидкості.
BLDC: Витрати на магніти та складання (магніти ДУЖЕ потужні) роблять двигуни BLDC життєздатними для додатків з меншою потужністю (як два двигуни / генератори Prius). Регресивне гальмування відбувається по суті безкоштовно.
Індукція: Двигун порівняно дешево виготовити, а силова електроніка для автомобільних застосувань значно подешевшала за останні 20 років. Регресивне гальмування відбувається по суті безкоштовно.

Знову ж таки, це лише дуже високий підсумок деяких основних драйверів дизайну для вибору двигуна. Я навмисно опустив конкретну потужність і питомий крутний момент, оскільки вони, як правило, значно відрізняються від реальної реалізації.

... а тепер чому Tesla використовує індукційні двигуни

Інші відповіді - чудові та отримують технічні причини. Дотримуючись Tesla та ринку EV загалом протягом багатьох років, я хотів би реально відповісти на ваше запитання, чому Tesla використовує індукційні двигуни.

Фон

Елон Маск (співзасновник Тесла) походить із Силіконової долини (СВ), думаючи, де "швидко рухайся і ламай речі" - це мантра. Коли він отримав гроші з PayPal на кілька сотень мільйонів, він вирішив зайнятися (космічними дослідженнями та) електромобілями. У SV-land час / швидкість для того, щоб зробити все - це все, тому він пішов озиратися, щоб знайти щось, що він міг би використати як вихідну точку, щоб отримати стрибковий старт.

Дж. Штраубель був інженером-однодумцем (як у космосі, так і в ЕВ), який зв'язався з Муском невдовзі після того, як Маск зробив свій інтерес до космосу та загальнодоступної публіки.

Під час своєї першої зустрічі з обідом, Страубель згадав про компанію під назвою AC Propulsion, яка розробила прототип електричного спортивного автомобіля з використанням комплекту каркаса автомобіля. Вже в другому поколінні він нещодавно перейшов на використання літій-іонних акумуляторів, пройшов діапазон 250 миль, запропонував багато крутного моменту, міг пройти 0-60 за 4 секунди, але, що більш за все сприймає цю дискусію, використовується - - ви здогадалися - провід змінного струму (індукційний двигун).

Муск відвідав AC Propulsion і пішов дуже вражений. Кілька місяців він намагався переконати AC Propulsion у комерціалізації електромобіля, але вони тоді не мали інтересу до цього.

Том Гейдж, президент АС пропагандистських сил, запропонував Муску об'єднати зусилля з іншим женичем, що складається з Мартіна Еберхарда, Марка Тарпеннінга та Іана Райт. Вони домовилися об'єднати свої зусилля: Муск став головою і загальним керівником дизайну продукції, Еберхард став генеральним директором, а Страубель став центральним директором нової компанії, яку вони назвали "Tesla Motors".

Відповідь

Тож у вас це є, Tesla використовує індукцію здебільшого тому, що перший життєздатний прототип, який бачив Маск, використовував його. Інертність (каламбур не призначений ... добре, трохи) пояснює решту ("Якщо вона не зламалася ...").

А тепер щодо того, чому AC Propulsion використовував його у своєму прототипі Tzero, дивіться інші відповіді ... ;-)

Якщо ви хочете повну історію, перейдіть сюди чи сюди .

Важко сказати, які точні причини інженерів були в команді дизайнерів, але ось кілька думок:

1. Для обох двигунів потрібні подібні приводи. Матові постійні двигуни постійного струму можуть працювати безпосередньо від акумулятора, але тип двигуна, який ви дивитесь в електромобілі, - це безщітковий двигун постійного струму. Приводи індукційного двигуна та безщіткового двигуна постійного струму дуже схожі. Керування індукційним двигуном, мабуть, загалом складніше.

2. Безщіткові двигуни постійного струму мають магніти в роторі. Це дорожче, ніж індукційний ротор з міддю. Крім того, ринок магнітів дуже мінливий. З іншого боку, індукційний двигун матиме набагато більше тепла, що виробляється в роторі через втрати I²R та серцеві втрати.

3. Пусковий крутний момент на безщітковому двигуні, як правило, вище, ніж на індукційних двигунах.

4. Максимальна ефективність безщіткового двигуна, як правило, вище, ніж індукційних двигунів, але я вважаю, що я десь читав, що Tesla отримує більш високий середній ККД з їх індукційним двигуном, ніж з безщіткою. На жаль, я не можу згадати, де я це читав.

5. Зараз багато людей досліджують комутовані машини з небажанням. Останні кілька моторних конференцій, у яких я був, були про неохоче переключення. Вони не потребують магнітів, і ефективність роботи цих типів двигунів виглядає перспективною. Всі хочуть піти від магнітів у моторах.

Отже, як я вже говорив, я сумніваюся, що хтось міг би відповісти на ваше запитання, крім інженерів Tesla. Але я найкраще здогадуюсь, що це, ймовірно, має щось спільне з моєю точкою 4), але я цього точно не знаю. Я впевнений, що коливання цін на магніти теж має щось із цим.

Відповідь надходить від самих співробітників Tesla на статтю Induction Versus DC Brushless Motors

Ця частина особливо примітна:

В ідеальному безщітковому приводі сила магнітного поля, виробленого постійними магнітами, була б регульована. Коли потрібен максимальний крутний момент, особливо при низьких швидкостях, напруженість магнітного поля (В) повинна бути максимальною - щоб інверторний та моторний струми підтримувались на найнижчих можливих значеннях. Це мінімізує втрати I ² R (струм ²) і тим самим оптимізує ефективність. Так само, коли рівень крутного моменту низький, поле B повинно бути зменшено таким чином, щоб втрати на вихрові та гістерезисні властивості через B також зменшувались. В ідеалі B слід відрегулювати таким чином, щоб сума втрат від вихру, гістерезису та I² була мінімізована. На жаль, не існує простого способу зміни B за допомогою постійних магнітів.

На відміну від цього, в індукційних машинах немає магнітів, а поля В "регулюються", оскільки B пропорційний V / f (напруга до частоти). Це означає, що при невеликих навантаженнях інвертор може знижувати напругу таким чином, що зменшуються магнітні втрати і збільшується ефективність. Таким чином, індукційна машина при роботі з розумним інвертором має перевагу перед безщітковою машиною постійного струму - магнітні та провідникові втрати можуть торгуватися таким чином, щоб ефективність була оптимізована. Ця перевага стає все більш важливою у міру збільшення продуктивності. З постійною щіткою постійного струму, коли розмір машини збільшується, магнітні втрати пропорційно збільшуються, а ефективність часткового навантаження падає. З індукцією, у міру збільшення розміру машини втрати не обов'язково зростають. Таким чином, індукційні приводи можуть бути сприятливим підходом, коли бажана висока продуктивність;

Постійні магніти коштують дорого - щось на зразок 50 доларів за кілограм. Ротори постійного магніту (ПМ) також важко керувати через дуже великі сили, які вступають у гру, коли щось феромагнітне наближається до них. Це означає, що індукційні двигуни, ймовірно, збережуть перевагу за вартістю перед машинами з ПМ. Крім того, через ослаблення можливостей індукційних машин полемічні показники інвертора та витрати виявляються нижчими, особливо для приводів з високою продуктивністю. Оскільки вертушки з індукцією, що обертаються, спрацьовують мало або взагалі не мають напруги, коли вони не спрацьовують, їх легше захистити.

ВСІ обертові електродвигуни - це двигуни змінного струму. Кожен з них.
Також по душі вони по суті роблять те саме. Різниця полягає в тому, як постійний струм перетворюється на змінного струму і як він звикає потім виробляти стандартний результат.

Єдиний двигун, що працює в електронній формі постійного струму, - це щітковий мотор. Постійний струм перетворюється в змінного струму за допомогою обертового комутатора та нерухомих щіток. Крім цього двигуна, всі інші потребують певної форми перетворення постійного струму в змінного струму. Двигун щітки, як правило, непривабливий, оскільки механічний перемикач постійного струму на змінного струму (комутатор) є відносно дорогим і порівняно недовгим.

Отже, для Tesla чи іншого електричного транспортного засобу вибір не є постійним чи змінним струмом, але, яка форма двигуна змінного струму найкраще відповідає дизайнерській цілі, економічно вигідна.

Tesla використовуватиме те, що робить, бо найефективніше відповідала цілям дизайну.

Очевидні думки говорять про те, що ряд людей погоджуються з Маркусом і думають, що вищенаведена відповідь не сприймає. Невелика думка і погляд на мої відповіді взагалі можуть підказати про нерозуміння з боку низових людей.

Всі обертові електродвигуни - це двигуни змінного струму

• Якщо ви думаєте, що ця точка зникає, то вам потрібно думати більше про те, що робить електромобіль загалом.

Давайте подивимось, чи є у поточних людей кишки, щоб прочитати наступне, а потім вилучити їхні походження. Для мене це не важливо. Наскільки ви вводите в оману інших людей, це дуже важливо.

ВСІ обертові електродвигуни вимагають, щоб контролер якось подавав змінного струму на двигун.
Відмінність між двигуном змінного струму та двигуном постійного струму є корисним у деяких контекстах, але в автомобілі, яка є закритою системою, яка починається з джерела енергії постійного струму і закінчується обертовим електричним двигуном, відмінність є помилковою і не корисною. Автомобіль - це закрита система. Десь у системі є контролер, який перетворює постійний струм в змінне в якійсь формі. Не має значення, чи він встановлений всередині ротора або ротора, всередині оболонки двигуна, прикріплений до корпусу чи десь ще в машині.

У щітковому моторі "постійного струму" "контролер" - це механічний вимикач, встановлений на кінці вала двигуна. Цей контролер \ названий комутатором, але він функціонально є контролером, який приймає постійний струм і створює погоню за хвостовим магнітним полем змінного струму, що стосується обмоток в двигуні.

Постійний намотувальний ротор постійного магніту "Безщітковий двигун постійного струму" дуже функціонально схожий на щітковий двигун постійного струму, при цьому комутатор замінюється електронними вимикачами та датчиками, які приймають поданий постійний струм і застосовують його до різних полів, щоб вони могли переслідувати хвіст як ротор обертається. Знову ж це двигун змінного струму з контролером. Просто запитайте будь-яку обмотку. Датчики знаходяться в межах власного двигуна, і вимикачі можуть знаходитись поруч із власним або віддаленим двигуном.

Індукційний двигун клітки білки додає ступеня складності, використовуючи обертання гнізда обмоток низького опору всередині поля статора, щоб викликати напругу в брусах ротора і зробити магнітне поле, яке обертає ротор, щоб воно переслідувало обертове поле змінного струму застосовується до обмоток статора. Знову ж таки, він має однонаправлений (але синусоїдально різний) постійний струм під час будь-якої частини послідовності приводу. Це настільки ж змішана система постійного та змінного струму, як і будь-яка інша.

Можна було б неохоче описувати двигуни змінного вихрового струму - більше однакові, але різні. Це двигун змінного струму з контролером, який виробляє його з постійного струму.

Розрізнення, яке робиться, не має значення і банальне. Справжнє питання - "чому Tesla використовує саме цю форму мотора, а не якусь іншу". Що це не просто семантика, а нерозуміння, показує слово

• ... які вимагають енергоінвестора, а не постійного струму, який більше безпосередньо від батареї постійного струму. Представляючи інвестору, це означає більше витрат (вага, контролер, тощо) ...

Єдиний двигун постійного струму, який не потребує певної форми інвертора або електронної системи комутації, - це механічний щітковий двигун. Вони настільки непристосовані до завдань легких приводів із змінною швидкістю, що їх буде мало, якщо вони використовуються в сучасних конструкціях електричних автомобілів. ВСІ інші стилі електродвигуна, які не мають інвертора, матимуть трохи електроніки замість інвертора.

Я сказав, що РОТАР "електродвигуни - це двигуни змінного струму, тому що можна, безперечно, виробляти безщітковий лінійний двигун постійного струму з роботою тільки з переключеним постійним струмом, хоча це дозволить неефективно використовувати мідь та магнітику. мотор в обсязі виробництва зробив би це.

Двигуни постійного струму не можуть відповідати щільності потужності машин змінного струму. Максимальна напруженість поля, яку навіть найкращі магніти можуть досягти, - це 2,5 тесла через повітряний проміжок, і для цього потрібна серйозна інженерія, особливо якщо ви хочете потім швидко обертатися, щоб щільність вашої енергії була високою. Індукційні машини досить комфортно виробляють 3+ тесла без всякого горя магнітів і дурних допусків. Вони, очевидно, не роблять це настільки ефективно машинами постійного струму, але хто сказав, що спортивні автомобілі, де ефективні плоскі? Кг на кг Індукційна машина змінного струму - це найпотужніший з усіх типів машин, коли керують купівлею складного інвертора і працюють на високих швидкостях обертання.

Справжніми причинами використання індукційних двигунів для своїх автомобілів є:

1. індукційні двигуни дешевші
2. індукційні двигуни не потребують великого обслуговування (без щіток)
3. індукційні двигуни легші за вагою
4. нова технологія управління частотою обертання індукційних двигунів тепер доступна (змінна напруга, змінна частота) і легко виробляється масово

IMHO, двигун змінного струму (Tesla Motors) використовує змінний струм, оскільки механічний двигун постійного струму, який відповідає високому співвідношенню "відключення" в застосуванні транспортного засобу, є складнішим, ніж електронно-комутований двигун змінного струму. Без цього високого коефіцієнта обертання, фізичний розмір двигуна, що виробляє просто сильний крутний момент, був би непомірним. Індукційний двигун, а не двигун ПМ, є не тільки більш фінансово стійким, але і більш стабільним з інженерної точки зору. Магніти можуть і справді пошкодитися. Електромагнітні котушки поля в роторі не так сильно і, як вони демонструють, щільність енергії схожа.

Я приймаю велике виняток із очевидного консенсусу, що "Всі електричні двигуни змінного струму", і міру свій аргумент на ході одного полюса, а не на повному оберті мотора.

У межах одного полюсного руху єдиний час, коли змінного струму по-справжньому потрібен, це коли потрібно викликати потік струму в паразитичній обмотці, як у роторі індукційних двигунів. Інакше потрібна лише комутація.

Цей аргумент найкраще можна показати, спостерігаючи мотор у стійлі. Тільки двигуни без ПМ або намотувальних полів, які є індукційними, потребують змінного струму для генерації струму поля, який створює реактивне магнітне поле.

Усі інші двигуни потребують подачі постійного струму в статор, щоб генерувати повний крутний момент у стійлі. Повітряні польові двигуни часто використовують змінного струму для генерації поля, але вони також добре справляться з постійним струмом, ймовірно, з ще більшим крутним моментом, ніж при зміні.

Мої сервомоторні двигуни PM можуть рубати постійний струм, щоб керувати потужністю, але вони рубають постійний струм, не перевертаючи його з кожним рубильником. Покладіть механічний комутатор на серводвигун змінного струму змінного струму, і він буде працювати на постійному струмі. Правда, не настільки ефективно, але не через відсутність синусоїдальної форми хвилі. Він також буде обмежений у максимальній швидкості без механічного просувача кисті.

Витратьте деякий час, розглядаючи властивості стійкості подвійного двигуна, очевидно "двигуна лише змінного струму", коли він постачається з постійним струмом, і, можливо, ви зможете зрозуміти мій аргумент. Тільки коли ви хочете натиснути кожен полюс на додаток до його підтягування, вам потрібно забезпечити змінного струму, інакше постійний струм - це все, що вам потрібно, і часто все, що ви використовуєте, навіть якщо джерело живлення змінного струму.

Шифер

Все: Машини, що матуються, обмежені, можливо, 48В, щоб уникнути дуги. На відміну від цього, безщіткова машина може легко працювати від батареї 240 В, напругою підсиленої до 480 В або вище за допомогою перетворювача постійного струму, розташованого між акумулятором і двигуном. При такій високій напрузі, подібній до тієї, що використовується у більшості сучасних гібридних або підключених автомобілів, втрати регулювання швидкості зводяться до мінімуму щодо загальної переданої потужності, що сприяє підвищенню ефективності.

Власне, Tesla використовує синхронні електродвигуни, які використовують як змінного, так і постійного струму. Якщо мотор використовувався тільки змінного струму, це був би асинхронний індукційний двигун, який є непередбачуваним двигуном для використання в транспортних засобах через ковзання в електромагнітному полі, коли в роторі індукується напруга (швидкість виходу повільніше, ніж обертання електромагнітне поле Формула: обороти в хвилину = частота * 60 / пари полюсів на фазу - ковзання у швидкості).

У синхронному двигуні є змійовик змінного струму змінного струму змінного струму (подібно до звичайного індукційного двигуна), але він також має ротор зі збільшенням постійного струму (на відміну від індукційного двигуна). Тим самим вихідна швидкість може досягати теоретичної максимальної швидкості (сонячна швидкість), що робить передбачуваний та ефективний двигун для використання в транспортних засобах. (Формула: Обороти в хвилину = частота * 60 / пари полюсів на фазу).

Потім Tesla може використовувати це і використовувати ESC (Електронний регулятор швидкості). ESC - це друкована плата, яка перетворює сом постійного струму від акумулятора до змінного струму, змінює квадратні хвилі на синусові хвилі, змінює частоту і амплітуду відповідно до сигналів з педалі газу і передає оброблювану потужність до статора. Він також змінює амплітуду постійного струму до ротора відповідно до потужності змінного струму до статора.