Принцип работы автомобиля тесла
Немного информации о движущей силе Tesla Model S
Всем Hi.
Сегодня я расскажу как же устроена трансмиссия революционного электромобиля от компании Tesla Motors.
Топовая модификация Tesla Model S P100D представляет собой пятидверный fastback с полностью алюминиевым кузовом. В маркировке P100D первая бука P — это Perfomans версия авто, буква D говорит нам о том что перед нами автомобиль с приводом 4х4 ( Dual Motor т.е. по одному электромотору на каждую ось).
Слева задний привод (один большой электромотор). В центре полный привод сток авто(два маленьких электромотора). Справа спорт версия Performance (маленький + большой электромотор).
Заявленная мощность топового авто аж 773 Hp (270 Hp спереди и 503 Hp сзади). Так за счет чего добились таких впечатляющих показателей?
Ответ прост, они не изобретали ничего нового. Был взят старый добрый асинхронный двигатель, его крепко доработали и форсировали по оборотам (Max RPM 16 000 об/мин). Да, да я не ошибся нолями!
Тяговый электродвигатель в своих автомобилях Tesla называет Drive Unit ( Привод).
Передний Drive Unit для 4*4 Performance версии (в обычной версии авто 4*4 это мотор ставят и спереди и сзади)
А вот так он выглядит на автомобиле
Коробка передач на автомобиле отсутствует совсем. Её заменил редуктор с передаточным числом 9.73. Передача всегда одна, электродвигатель механически постоянно связан с колесами.
На фото ниже, приведен модифицированный редуктор от компании Saleen с прямозубыми шестернями и самоблокирующимся дифференциалом, передаточное число увеличено до 11.39. На стоковом авто такие редукторы не применяют.
Схема работы всей трансмиссии достаточно проста. Инвертор электродвигателя питается от тяговой батареи с напряжением 400 Вольт постоянным током. Затем преобразует его в переменный ток и питает ним электромотор. Пиковые значения тока могут достигать громадные 1400 Ампер!
К сожалению заявленные 773 л.с. это всего лишь пиковое кратковременное значение максимальной мощности автомобиля. На практике наблюдается более низкая мощность, но об этом мы поговорим позже.
Всем стабильных 50Hz!
Комментарии 47
Заявленная мощность очень круто для такого маленького асинхронника. Интересный выбор двигателя. Я, честно говоря, думал что там стоит синхронник с ротором на постоянных магнитах… Так понимаю, что добились такой мощности за счет медного ротора, жидкостного охлаждения, и, видимо, очень умных алгоритмов работы инвертора?
Да, все верно. Мощность пиковая и доступна на короткое время.
Заявленная мощность очень круто для такого маленького асинхронника. Интересный выбор двигателя. Я, честно говоря, думал что там стоит синхронник с ротором на постоянных магнитах… Так понимаю, что добились такой мощности за счет медного ротора, жидкостного охлаждения, и, видимо, очень умных алгоритмов работы инвертора?
на передней оси BLDC стоит, сзади асинхронник
либо моя ошибка в том что электродвигатель теслы имеет нихрена не постоянный момент, не зависящий от количества оборотов
Ребят, помогите разобраться.
Имеем формулу связи мощности, момента и оборотов:
P = (Mкр * N : 9549) * 1,36
Р — Мощность в киловаттах
Мкр — крутящий момент в ньютон-метрах (Нм)
9549 — поправочный коэффициент для удобства подсчетов, чтобы не вдаваться в тяжелые вычисления математических функций таких как косинус-альфа.
1,36 — коэффициент необходимый для перевода киловатт в лошадиные силы.
Формула рабочая, проверил на характеристиках нескольких двигателей.
Получается что двигатель теслы момент равен скромных 220 н\м. Не понимаю как так получается. Я ездил на тесле, там явно больше.
Тем кто захочет углубиться в дебри передаточных чисел кпп и редуктора сразу скажу что в мощностных характеристиках всех авто указывается мощность именно двигателя без всяких трансмиссий и редукторов.
Наверняка ассинхронником управляют в режиме постоянной мощности, тоесть чем выше обороты, тем ниже момент.
ампераж у 100D доходит до 1600А, при этом вольтаж ввб проседает до 320В
Интересно, если передачи косозубые в стоке, то почему же звук характерный, как у дрели. Или это все таки шум трансмиссии, который мы не слышим из-за ДВС в обычных авто? Но если на скорости 100 км/ч выключить ДВС и ехать накатом, то кроме шума ветра и покрышек ничего больше.
Я это шум нагруженного моментом редуктора на больших оборотах
Конечно же главное это крутящий момент! Именно на нем автомобиль ездит 99% своей жизни. Максимальная мощность важна только для достижения максимальной скорости движения авто. Как сказал Энцо Феррари «Лошадиные силы продают автомобили, а крутящий момент выигрывает гонки»
Номинальная мощность тягового генератора: 750 кВт
Номинальная мощность тягового электродвигателя: 320 кВт
Номинальная мощность тормозной резистивной установки: 2х600 кВт
Номинальная частота вращения тягового генератора: 1900 об/мин
Максимальный момент на валу тягового электродвигателя: 8490 Нм
Номинальный КПД тягового генератора: 95%
Номинальный КПД тягового электродвигателя: 94%
Охлаждение агрегатов КТЭО: воздушное
Выбери БелАЗ 🙂 Советская пасхалка как сын говорит тесле.
ну так это совсем другое, это считай электрическое сцепление
БелАЗ-75131.
Прочие показатели таковы: Длина – 11,5 метров; Ширина – 6,4 метров; Высота – 5,9 метров. Масса снаряженного автомобиля – 107,1 тонн; Полная масса автомобиля – 243,1 тонны. Грузоподъёмность – 130 тонн (для самосвала с диагональными шинами); 136 тонн (для самосвала с радиальными шинами). Объём кузова – 104 кубических метра. Высота погрузки – 4,8 метра. Колёсная база – 5,3 метров. Дородный просвет – 600 мм. Мощность тягового генератора (ГСН-500 / СГД-89/38) – 1000 кВт. Мощность тягового электродвигателя (ЭК-420/ТЭД-6/ЭК-590) – 420/520/590 кВт. Размерность шин – 33.00 R51. («БелШина»); давление в шинах – 7 атмосфер.
а вот
Трансмиссия Как уже было отмечено, БелАЗ-75131 – это родоначальник семейства карьерных самосвалов с электромеханической трансмиссией. Она бесступенчатая, превосходно сочетающая мощностные и скоростные характеристики. Параметры системы привода оптимизируются алгоритмом системы управления. В составе электромеханической трансмиссии БелАЗа – электропривод переменно-постоянного тока с тяговым генератором, двумя тяговыми электродвигателями, редукторами электромотор-колёс, аппаратами регулирования, микропроцессорной системой управления и приборами контроля. Редуктор мотор-колеса является двух-ступенчатым, с прямозубыми шестернями. Передаточное число – 30,36.
что и повторили в тесле уменьшив в масштабе
и в передаточном 9.73. Передача всегда одна, электродвигатель механически постоянно связан с колесами.
Электромобиль Николы Теслы (инженерный взгляд и аналоги)
В 1931 году Никола Тесла продемонстрировал действующий прототип электромобиля, движущегося без каких-либо традиционных источников тока.
При поддержке компаний General Electric и Pierce-Arrow, он заменил традиционный двигатель сгорания у предоставленного ему нового автомобиля Pierce-Arrow на электродвигатель (80 л.с., 1800 об./мин). Из радиодеталей, купленных в обыкновенном магазине, Тесла собрал устройство размером 60x30x15 см, из которого торчали два стержня. Присоединив провода, идущие от устройства к контактам электродвигателя, Никола Тесла сел в автомобиль и поехал.
Устройство, питающее двигатель автомобиля не могут воспроизвести даже в наше время.
С точки зрения инженера установка двигателя переменного тока на электромобиль требует серьёзного элемента именуемым контроллер. Что ж попробуем подойти с инженерной точки зрения. Соотношение л/с к квт 1 л/с = 0,78 электрических киловатт. 80 л/с = 58,8 кВт
Найдем хотя бы примерную аналогию Китайцы такие предлагают.
Контроллер для такого мотора это сложный прибор силовой коммутации на полупроводниках. и показатели напряжения и токов для такой мощности впечатляют.
Управление асинхронным мотором в режиме управления автотранспортного средства весьма сложная инженерная задача, при том это решение стало возможно с введением полупроводников, которые заменили повсеместно применяемые электромашинные преобразователи Умформеры — одноякорные преобразователи постоянного тока низкого напряжения в постоянный ток повышенного напряжения, используемые в основном для питания анодных.
Думаю инженер, сразу такие небылицы про 80 л.с. и мотор переменного тока который так запросто можно водрузить вместо ДВС отбросит.
Немножко отвлечемся. Есть история, что после второй мировой войны два американских солдата, контрабандой вывезли в США прибор по конструктиву напоминающий умформер, который они нашли в подвале немецкого дома и он там использовался как аварийное освещение без батареи на самовращении выдавая напряжение и ток для электрической лампочки. С данной конструкцией ознакомился и Джон Бедини. По слухам именно это знакомство определило радиоинженера с хорошим производством аудиосистем заняться устройствами Свободной Энергии.
История моя. После средней школы в 1982 году, я перед призывом в СА год работал в электроцеху автотранспортного предприятия. У нас в цеху был ветеран ВОВ, местный кулибин. Он рассказывал что уже в конце войны, после капитуляции Гитлеровской Германии, в Австрии они пленили разведгруппу Абвера. У них была радиостанция с умформером который запускался от тросика и без батареи питал радиостанцию. Конечно в данный рассказ ни кто не верил и слегка над ним посмеивались, списывая на странности старика. Он чего-то мастерил. Это сейчас я могу понять что же пытался построить этот ветеран.
Вторая история не моя, о том как один инженер электрик в 1945 году принимал участие в перегоне из подземного дока на балтике, для погрузки на корабль, одноместную электрическую боевую подводную лодку. И уверял, что электромотор получал электрический ток от генератора, который самовращался. Интересные такие три эпизода из прошлого немецкой научно-технической мысли.
Мы можем верить или не верить в данные истории, но они существуют.
И так возвращаемся к Николе Тесла. В конце 19 века в Американском институте инженеров-электриков при Колумбийском колледже, 20 мая, 1891 год., демонстрировал электромашинный одноякорный преобразователь (мотор-динамо) с впечатляющими показателями работы.
Тесла очень хорошо знал эти устройства и имеет хороший портфель патентов на данные устройства
Посмотрим еще на один пример. В конце 19 века и начале двадцатого в США имело большое распространение именно электромобили.
Для примера Патент US1423090 на электромобиль 1922 года США. Как инженерное решение изящное и сбалансированное. Сердцем электромобиля был коллекторный мотор постоянного тока, которым управляли через резистивный контроллер (применялись на электротранспорте вплоть до появления полупроводниковых устройств). Даже было рекуперационное торможение.
Предположим, что Никола Тесла на электромобиле взамен мотора постоянного тока, устанавливает свой мотор-динамо и получает управляемый момент силы на валу и переменный ток на съемных кольцах.
Ему не хватает сущего пустяка, выпрямляющего зарядного устройства. Который он мог собрать по принципу однопериодного регулятора. на основе вентилей Флеминга и принципа магнитного усилителя
Вот тут уже становится вполне реальная и возможная картина. Зачем Тесла это делал и зачем это уничтожил, мы не знаем. Предположим ему нужны были деньги для своих исследований. И он их быстро нашел у нефтяного подымающегося лобби.
Теперь продолжение истории:
В октябре 1975 года изобретатель из Калифорнии, Роберт Александер, представил публике усовершенствованный привод для автомобиля. По мысли изобретателя, этот электрический привод должен был в ближайшем будущем избавить владельцев автомобилей от необходимости использовать сжигаемое топливо, от лишнего шума, и от потребности в постоянной подзарядке аккумуляторов.
Прибывшие на демонстрацию эксперты были сильно озадачены, ведь казалось, что энергия получается из «ничего». Тем не менее, автомобиль легко ездил без топлива со скоростью 36 миль в час. На сомнения экспертов изобретатель ответил, что машина ездит, и ей все равно на их доводы. Начальную мощность обеспечивал переделанный электродвигатель в 7/8 лошадиных сил.
На демонстрацию была приглашена пресса, а позже (когда патент US3913004 был уже получен) одному из журналистов поведали детали проекта: вращение электродвигателя начинается от батареи, гидравлическая и воздушная системы автомобиля приходят в действие, при этом батарея успевает перезаряжаться от генератора. На эту переделку Александер потратил всего 500 долларов.
В основе конструкции — трансформатор (преобразующее устройство), который является одновременно ротором генератора (пересекается магнитным потоком). Выход переменного тока в результате является продуктом двух электромагнитных действий. Напомним, что скорость изменения ускорения — третья производная координаты — это рывок.
Ротор представляет собой сердечник трансформатора, и имеет на себе группы парных обмоток. В каждой секции ротора по две обмотки, одна из которых работает как первичная обмотка трансформатора и как моторная обмотка, а вторая — как вторичная обмотка трансформатора и как генераторная обмотка. При этом на статоре расположены только постоянные магниты.
В работе генератора используются известные технологии управления и взаимодействия с магнитным полем. Трансформируемая и генерируемая мощности синхронно сочетаются, что и приводит к увеличению выходной мощности.
Первичные обмотки содержат меньшее количество витков чем вторичные обмотки, в которых при пересечении силовых магнитных линий наводится большая ЭДС, чем у источника постоянного тока (которым выступает батарея). Магнитное поле статора пересекает ротор, и мотивирует его к движению, при этом генерирует во вторичных обмотках энергию.
Выход переменного тока во вторичных обмотках является по своей сути синхронизированной функцией трансформируемой энергии из первичных обмоток, объединенных в общих пазах ротора со вторичными обмотками, и генерируемой энергии. В итоге сила тока и напряжение на выходе соответственно увеличиваются.
В одной из изготовленных авторами установок, имеющей четыре коллекторные щетки и 20 ламелей, и содержащей 20 секторов на роторе, первичные обмотки состояли из нескольких витков проводника, чтобы эффективно проводиться во вращение от 48 вольт постоянного тока при 25 амперах, то есть 1200 Ватт было необходимо для вращения с частотой 1750 оборотов в минуту.
В то же самое время вторичные обмотки состояли из такого числа витков, чтобы эффективно получать на выходе 60 циклов в секунду (путем трансформации и генерирования) при напряжении в 110 вольт и с током в 32 ампера, то есть на выходе можно было получать 3520 Ватт.
Достаточно только посмотреть на два рисунка и иллюзии улетучатся.
Эта идея способна бросить вызов тому транспорту, который мы знаем сегодня.
Создав в 2001 году корпорацию «Tilly Foundation», Карл Тилли вознамерился доказать реальность воплощения этой идеи. Это был честолюбивый замысел, который начал осуществляться на производстве в штате Теннеси, где предполагалось создание первой самогенерирующей электрической машины. Строительство здания площадью в 1800 квадратных футов, которое обеспечивается энергией с помощью недавно разработанного электрического устройства, началось в 2002 году. Для снабжения здания электричеством не требовалось никакого внешнего энергопитания. По иронии судьбы на основе одного альтернативного энергетического устройства удалось разработать изобретение, которое легло в основу создания электрической машины. По сравнению с бензиновыми транспортными средствами машина Тилли (TEV) демонстрирует более продвинутую технологию. Разница заключается в том, что отсутствует потребность в топливе, и нет необходимости останавливаться для подзарядки аккумулятора после езды. При этом не происходит никакого загрязнения, и вы можете колесить по дорогам с той же скоростью, что и на любом другом автомобиле.
Установленный электромотор производит свыше 130 лошадиных сил при 5500 об/мин. В этой машине предусмотрена трехскоростная автоматическая коробка передач, которая работает плавно и при этом является абсолютно бесшумной. Для быстрого безотказного торможения машина оснащена четырьмя тормозящими колесными дисками. Для крыловидных дверей с противовесом требуется клиренс всего в 14 дюймов. Поднимающийся спортивный люк динамически сконструирован таким образом, что эффект торможения практически исключен. Из всех этих составляющих наряду с использованием безупречного стального корпуса получается великолепная машина.
Благодаря контрольному центру блока питания делается все необходимое для того, чтобы батареи оставались заряженными во время работы машины независимо от скорости или степени разреженности блока питания. Ваша энергосистема будет заряжена в течение всего времени, пока вы ее используете. Нужно просто сесть в машину, завести ее и ехать как на любой другой.
DeLorean 1981 года был преобразован в электрический автомобиль Тилли. Переделка машины началась в конце июня 2002 года. Работа над металлическим агрегатом, а именно: разработка поддержки электрического мотора, установка блока питания, центра контроля и устройства TEV, — была закончена в июле 2002 года. Для того, чтобы убедиться в действенности технологии TEV, было проведено несколько тестов. Один из последних тестов был сделан 7 сентября 2002 года. В результате, после того как машина проехала 17,3 миль по сверхскоростному шоссе со скоростью от 80 до 90 миль в час, независимым экспертом было подтверждено, что батареи остались полностью заряженными.
28 марта 2003 года, в штате Теннеси, США, 20 вооруженных людей конфисковали все устройства, документы и арестовали банковские счета компании Tilly Foundation, Inc. До сих пор они ничего не вернули не возместили издержки, произнес Карл Тилли, президент и обладатель компании. Для того чтоб защитить технологию, всего через недельку после чего действия он уже начал строить другой электрический кар и два источника мощности для особняков. Сейчас это происходит в другом штате. Новейший электрический кар был протестирован несколькими инженерами, и был получен положительный итог.
Не слишком ли много совпадений, для одного электромеханического преобразователя?
Как видим конструкция во всех устройствах общая. Я же не искал решения именно этих задач, я отрабатывал свою итогом, которой стал конструкция Ротовертера РАГЕН. Все эти устройства можно назвать одним термином ТРАНСГЕНЕРАТОРЫ. Раген это концепция вывернутой наизнанку коллекторной машины, без нарушения принципа действия по сути как коллекторный мотор постоянного тока и бесколлекторный мотор постоянного тока. Только мне для решения понадобились два обособленных статора и один общий магнитный ротор.
Роторный двигатель николы тесла
Как устроена Tesla
Электромобиль Tesla Roadster, запущенный в космос Илоном Маском больше года назад, на момент написания данной статьи находится на расстоянии 369 млн. км от Земли (вот уж действительно рекордный пробег) и со скоростью 81 220 км/ч приближается к Марсу. Что «ждёт под капотом» представителей иноземных цивилизаций, если они когда- нибудь встретят его на бескрайних просторах вселенной?
Если «сердцем» традиционных автомобилей считается двигатель внутреннего сгорания, так как это самый технологичный и дорогостоящий агрегат конструкции, то «сердцем» данного электромобиля логично считать его аккумуляторную батарею.
Литий- ионная аккумуляторная батарея находится в днище автомобиля, вследствие чего автомобиль имеет очень низкий центр тяжести, а значит и прекрасную управляемость. Батарея установлена на быстросъемных кронштейнах и её замена занимает порядка полутора минут. Стоимость — 45000 долларов.
Конструктивно аккумуляторная батарея состоит из 16 параллельно соединенных блоков, которые надежно защищены от внешних воздействий прочным водонепроницаемым корпусом. Масса аккумулятора — 540 кг, выдаваемое напряжение — 400 В, емкость — 85 кВт/ч, запас хода при этом составляет около 400 км. В каждом из 16 блоков уложены по 74 накопительных элемента по виду очень напоминающих обычную батарейку.
Эти «батарейки» производит «Panasonic» и всё, что связано с технологией их производства, является тайной «за семью печатями». Всего их 7104, емкость каждого 3400 мА*ч.
Также при сборке аккумуляторов используются комплектующие из КНР, Мексики, Индии и других стран, финальная сборка производится в США. Гарантия завода — 8 лет.
В США для зарядки Тесл существует достаточно обширная сеть зарядных станций, медленная зарядка занимает около получаса и является бесплатной, а быстрая (замена батареи на заряженную) — 1,5 минуты и стоит 80 долларов.
Напряжение с аккумуляторных батарей снимается инвертором (у тебя дома он есть в стиральной машине и сплит- системе), в инверторе в зависимости от поставленной контроллером (читай- педали газа) задачи преобразует ток в переменный и питает им электродвигатель.
Электродвигатель, используемый в Тесле, не является каким-то передовым и уникальным.
Используется трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором, первый экземпляр которого был испытан ещё в 1883 году Николой Теслой.
Не обошлось, конечно, без новшеств: система охлаждения — водяная через полый ротор. Сам двигатель очень технологичный — ротор практически целиком выполнен из меди, что позволяет повысить КПД. Частота вращения двигателя может достигать 16000 об/мин. Во время торможения двигатель используется как генератор и позволяет вернуть часть энергии на подзарядку батарей. Передача всего одна, двигатель механически связан с колесами.
На автомобили ставят двигатели разной мощности, самый мощный выдает — 310 кВт (416 л. с.) и паровозные 600 Н*м крутящего момента.
Существуют различные варианты комплектаций электродвигателями.
Версии, в которых электромотор установлен еще и в передней оси, являются полноприводными. Самая мощная Тесла имеет два двигателя общей мощностью 772 л.с. (259 л.с. на передней оси, 503 на задней), разгон до сотни занимает — 3,4 секунды.
Такая компоновка силовой установки позволяет создать просторный салон, машина имеет два багажника — спереди и сзади.
В салоне — торжество роскоши и цифровых технологий, вместо традиционной приборной панели — дисплей, на который можно вывести любую интересующую информацию об автомобиле. Материалы отделки салона отличного качества.
В США и странах Западной Европы, несмотря на высокую цену, машина расходится огромными тиражами, сказывается многое: и инновационность машины, и её экологичность, и финансовые льготы, предоставляемые властями многих стран при покупке электромобилей. В нашей стране Тесла — большая редкость, которую можно встретить только в крупных федеральных центрах.
Минусы электромобилей Тесла
1. Продолжительное время подзарядки
А вот тут электрокары проигрывают своим оппонентам работающим на горючем. Последние, можно заправить практически за пять минут, а вот электромобиль Тесла при «скоростной» зарядке будет заряжаться почти час. Однако инженеры компании постоянно работают над уменьшением времени отведённого на зарядную процедуру. С этой целью они разместили по всему миру свои фирменные Supercharger stations, позволяющие заправить электрическую машину на 80% за полчаса, причём совершенно бесплатно. Если же вы захотите зарядить своё авто под завязку, то можно рассчитывать где-то на 1,5 ч.
2. Высокая цена
В принципе, удивительного здесь ничего нет — высокие технологии всегда стоили не мало. Самая скромная комплектация, в США затянет на ценник от 43 тыс. долларов, это 2,8 млн. руб. Речь идёт о новой машине, но в любом случае, даже для электромобиля такая себестоимость для многих не приемлема.
Как выглядит электрический двигатель Tesla?
Любой знаток автомобильной марки Tesla знает, что название компании выбрано не случайно. Tesla Motors (Тесла Моторс) названа в честь создателя двигателя Николы Тесла, жившего в 19 веке. Практически каждый автомобиль, который производит компания Tesla – от родстера до модели S и Х, оснащается 3-фазным асинхронным двигателем переменного тока, концепцию которого и придумал легендарный изобретатель.
В течение десятилетий после изобретения электродвигатель Николы Тесла работал от стационарной 3-фазной электрической розетки переменного тока. Примерно в 1990 году инженер-индивидуалист Алан Коккони разработал один из ранних портативных инверторов –устройство, которое превращает постоянный ток (DC) в батарее электромобиля в переменный ток (AC), необходимый для работы асинхронного двигателя.
Комбинация инвертор/электродвигатель была впервые использована на электроавтомобиле General Motors EV1. Позже итальянский физик Джузеппе Коккони создал улучшенную версию этой трансмиссии, которая появилась на автомобиле AC Propulsion Tzero. Но до серийного производства этого автомобиля не дошло. Зато на эту электромашину обратил внимание будущий соучредитель компании Tesla Motors Мартин Эберхард, основавший компанию в честь великого физика Николы Тесла вместе с Марком Тарпеннингом, к которым позже присоединился Илон Маск.
В итоге компания Tesla получила лицензию на технологию электромотора автомобиля tZERO для своего родстера. Так на автомобилях Tesla появился асинхронный двигатель, который, кстати, претерпел ряд изменений и улучшений.
Прелесть асинхронного двигателя в том, что он не требует постоянных магнитов. Постоянные магниты достаточной мощности для вращения двигателя электроавтомобиля обычно изготовлены из редкоземельных материалов. А, как известно, редкоземельные магниты имеют огромную первоначальную стоимость. Также такие магниты имеют свойство размагничиваться. Но главное, что цены на редкоземельные материалы зависят от их добычи, что приводит к большим биржевым колебаниям цен.
Двигатель Тесла, принцип работы
Самым главным узлом в автомобиле является асинхронный двигатель, который разработал великий ученый Никола Тесла. Давайте разберем принцип работы асинхронного двигателя
Асинхронный двигатель состоит из двух частей: статора и ротора
Как же работает асинхронный двигатель? Асинхронный двигатель – это трехфазный двигатель переменного тока с вращающимся магнитным полем.
Вращающееся магнитное поле образуется в обмотках статора. Оно в свою очередь приводит в движение ротор.
Также нельзя забывать тот факт, что в асинхронном двигателе скорость вращения самого ротора будет меньше, чем скорость вращающегося магнитного поля, которое образуется в статоре двигателя.
Но и это еще не все. Частота вращения такого двигателя зависит от частоты переменного тока, поступающего на его обмотки. Чем больше частота, тем быстрее будет вращается двигатель. Поэтому, управляя частотой, мы можем управлять вращением двигателя, а следовательно, и скоростью самого автомобиля. То есть все управление автомобилем сводится к тому, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный трехфазный и возможностью менять частОты переменного трехфазного тока. Это простое преобразование постоянного тока в переменный ток нужной частоты делает автомобили Тесла простыми и надежными.
Переменный ток
DC — постоянный ток, AC — переменный ток
Прежде чем научиться использовать переменный ток, его необходимо сначала получить. В общем-то о переменном токе физики знали уже давно (со времён открытия электромагнитной индукции) и Тесла его как таковой не открывал, но тогда все полагали, что переменный ток — это попросту «мусор», который вряд ли как-то получится использовать. Тесла же был другого мнения и сразу увидел весь потенциал переменного тока.
Постоянный ток непрерывно течёт в одном направлении; переменный ток меняет своё направление 50 или 60 раз в секунду и у него можно изменять напряжение до высоких уровней, минимизируя при этом потери мощности на больших расстояниях. Позже напряжение переменного тока можно понижать, чтобы использовать его на заводах или в жилых домах. Тесла понял, что будущее принадлежит переменному току.
Тесла описал свои двигатели и электрические системы в статьей «Новая система двигателей переменного тока и трансформаторов», которую он презентовал в Американском институте инженеров-электриков в 1888 году. Именно тогда Джордж Вестингауз заинтересовался разработками Теслы, и однажды он посетил его лабораторию и поразился увиденному. Никола Тесла построил модель многофазной системы из понижающих и повышающих трансформаторов переменного тока, а также двигателя переменного тока. Так началось партнёрство Ветсингауза и Теслы. Позже Никола Тесла получил 40 патентов на свои изобретения в США, а Вестингауз выкупил их все, чтобы обеспечить себя богатством, а Америку переменным током.
Ниже мы как раз и поговорим об этих машинах и о том, как в США внедрялась многофазная система электроснабжения.
Почему асинхронный двигатель лучше, чем ДВС
График зависимости крутящего момента (Н⋅м) от оборотов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) выглядит примерно вот так:
Поэтому, соединять вал двигателя ДВС напрямую с колесами – так себе идея.
В этом случае требуется трансмиссия и коробка передач
Также не забывайте, что линейное движение поршней должно быть преобразовано во вращательное движение. Это очень трудоемкий процесс, так как приходится балансировать весь двигатель, чтобы было как меньше вибраций при работе.
Да и для того, чтобы запустить такой двигатель, нам также понадобится стартер. А как вы знаете, без аккумулятора стартер не заведется. Ну или “с толкача”).
Еще один минус ДВС в том, что выдаваемая им мощность очень неравномерна, поэтому надо использовать маховик.
К очевидным минусам ДВС можно также добавить его высокую стоимость, выбросы выхлопных газов в окружающую среду, высокую стоимость топлива, ограниченный ресурс, так как очень много трущихся деталей, низкий КПД, сильный шум, большой вес, замена расходников, а также, как мы уже говорили, требуется обязательно коробка переключения передач.
Чем асинхронный электромотор Тесла переигрывает ДВС?
Рассмотрим приведённое ниже изображение, на котором представлен график зависимости тяги ДВС от его оборотов:
Не мудрено, что стыковать вал ДВС с колёсами напрямую — не самая лучшая идея. Тут уж никак не обойтись без трансмиссии и КПП.
Также не стоит забывать, что в ДВС, возвратно-поступательное движение поршней должно ещё преобразовываться во вращательное. Данный процесс является весьма трудоёмким, так как конструкторам нужно балансировать весь силовой агрегат, дабы максимально уменьшить вибрации при функционировании.
Помимо перечисленного, для запуска ДВС нам понадобится ещё и стартер, а для него, аккумуляторная батарея. Кроме того, мощность двигателя работающего на горючем весьма неравномерная, поэтому инженеры приспособили тяжёлый маховик. Нельзя сбрасывать со счетов и высокую себестоимость традиционных моторов работающих на бензине либо дизтопливе.
Негатива прибавляют выбросы вредных веществ в атмосферу, постоянно растущие цены на топливо, ограниченный ресурс работы из-за наличия большого количества трущихся деталей, не высокий КПД, шумность, большая масса, замена расходников.
А теперь посмотрим, что нам предлагает движок моделей Тесла:
Частота вращения может доходить до отметки 18 000 об/мин и как видно из приведённого выше графика, тяга практически равномерно распределилась по всему диапазону оборотов. Что это нам даёт? Очень даже существенные выигрыши: не нужна сложная трансмиссия и КПП.
Второе чем бьёт асинхронный агрегат — отношением массы к производимой мощности. У ДВС — это 0,8 кВт/кг, а у электромотора — 8,5 кВт/кг. Что тут и сказать: выигрыш более чем в десять раз не может не восхищать!
Платформа из аккумуляторных батарей
Асинхронный двигатель надо чем-то питать. Поэтому, в автомобилях Тесла используется блок-платформа из литий-ионных аккумуляторов. Этот блок из батарей выдает постоянный ток.
Такой блок состоит из маленьких простых li-ion батареек
Решетка, которая частично держит батарейки, также является радиатором, по которой бежит антифриз
такой тип радиатора очень эффективен, так как он охлаждает все батарейки равномерно.
Все эти батарейки собираются в небольшие модули
Платформа состоит из нескольких таких модулей
В живую это выглядит примерно вот так:
Антифриз, который охлаждает платформу из батарей, охлаждается в передней части автомобиля на автомобильном радиаторе
Также можно увидеть, что тяжелая платформа из батареек близко находится к земле, поэтому низкий центр тяжести улучшает управляемость и стабильность автомобиля.
Стоимость такой батареи-платформы более 12 000 долларов, а вес более полтонны. Пока что платформа-батарея является самой дорогой частью автомобиля. Да и вообще, проблема всех электрокаров – это дорогие аккумуляторы. Если ученые разработают дешевые и очень емкие аккумуляторные батареи, то придет конец эпохе ДВС.
Коробка передач
Как же передается вращение от двигателя к колесам?
Для этого используется коробка передач
В автомобилях Тесла используется простая односкоростная коробка передач, так как крутящий момент двигателя почти равномерный на всех оборотах.
Если разобрать коробку, то можно увидеть ее простую конструкцию
Вращение вала двигателя приводит к вращению шестеренки, которая передает вращающий момент на колеса автомобиля
Даже обратный ход достигается тем, что инвертор меняет две фазы на асинхронном двигателе местами, и двигатель будет вращаться в другую сторону.
Рекуперативное торможение
В автомобиле Тесла всего две педали и подножка для левой ноги, чтобы было куда ее девать при вождении)
На самом же деле управлять автомобилем можно всего с помощью одной педали: педали газа. На английский манер такой способ вождения электрокаров называется one pedal driving
. Почему это возможно на электрокарах?
Давайте для начала разберемся, как вообще происходит торможение в простом автомобиле на ДВС?
Когда мы нажимаем педаль тормоза, у нас тормозные колодки прижимаются к тормозным дискам, и автомобиль начинает тормозить. Куда уходит вся кинетическая энергия движущегося автомобиля? Она превращается в тепло и рассеивается в окружающем пространстве. Можете потрогать тормозные диски после длительного торможения. Они будут очень горячие.
Но вот в автомобилях Тесла торможение происходит совсем по другому принципу. Да, там тоже имеются тормозные колодки и диски, но они используются намного реже, чем у авто с ДВС. Как происходит торможение в Тесла? Как только вы отпускаете педаль газа, автомобиль начинает останавливаться, то есть активируется система рекуперативного торможения. В этом случае двигатель превращается в генератор электрической энергии. Куда уходит энергия от торможения? Если в простых автомобилях она уходила в тепло, то здесь двигатель в роли генератора начинает подзаряжать аккумуляторы. То есть можно сказать, что вся кинетическая энергия автомобиля превращается в электричество и запасается в аккумуляторах. Но почему же происходит процесс торможения? Дело в том, образующееся магнитное в обмотках статора будет тормозить ротор, поэтому и происходит торможение вала двигателя.
Для полной остановки электромобиля потребуется педаль тормоза, которую нажимают в самом конце остановки. Отсюда следует, что тормозные колодки на Тесле надо менять в разы реже, чем на автомобиле с ДВС.
Как работает электродвигатель?
Принцип работы электродвигателя «Тесла» такой.Он начинается с аккумулятора в автомобиле, который подключен к двигателю. Электрическая энергия подается на статор через аккумулятор. Катушки внутри статора (изготовленные из проводящей проволоки) расположены на противоположных сторонах сердечника статора и действуют как магниты. Поэтому когда электрическая энергия от автомобильной батареи подается на двигатель, катушки создают вращающиеся магнитные поля, которые тянут проводящие стержни снаружи ротора вдоль него. Вращающийся ротор — это то, что создает механическую энергию, необходимую для поворота шестеренок автомобиля, которые, в свою очередь, вращают шины.
В электромобиле нет генератора переменного тока. Как же заряжается аккумулятор? Когда нет отдельного генератора переменного тока, двигатель в электромобиле действует и как двигатель, и как и генератор. Это одна из причин, почему электромобили настолько уникальны. Как упоминалось выше, аккумулятор запускает двигатель, который подает энергию на шестерни, которые вращают шины. Этот процесс происходит, когда нога находится на ускорителе — ротор тянется вдоль вращающегося магнитного поля, требуя большего крутящего момента. Но что происходит, когда отпускают ускоритель?
Когда нога сходит с акселератора, вращающееся магнитное поле останавливается, и ротор начинает вращаться быстрее (в отличие от того, чтобы его тянуть вдоль магнитного поля). Когда ротор вращается быстрее, чем вращающееся магнитное поле в статоре, это действие перезаряжает батарею, действуя как генератор переменного тока.
Автопилот Тесла
По-моему, это самая крутая вещь, которую воплотила в жизнь команда Илона Маска. Автопилот использует систему обратной связи из 8 камер, которые охватывают угол обзора все 360 градусов на дальности в 250 метров, 12 сенсоров, которые помогают в опасных ситуациях, а также помогают парковаться, и есть также функция Summon, которая помогает перемещать автомобиль, например, из гаража, либо вывести с парковки с помощью мобильного приложения.
Автопилот Тесла может полностью водить автомобиль в автономном режиме. Он также может предупреждать владельца об опасных ситуациях на дороге.
Недостатки электромобилей Тесла
Долгое время зарядки
. В то время, как простой автомобиль с ДВС можно заправить буквально за 5 минут, Тесле поребуется около часа. Но и здесь опять же есть подвижки. В настоящее время компания стремится к тому, чтобы сделать время заряда как можно меньше. Для этого она строит так называемые Supercharger stations по всему миру. Эти заправочные станции, как говорят в Тесле,
будут совершенно бесплатны
, а ваш автомобиль сможет зарядиться
на 80% за 30 минут
! То есть пока вы пьете кофе, ваш авто уже будет снова готов покорять просторы) Полная зарядка на таких заправочных станциях длится около полутора часов. Пока что таких заправочных станций не так много, но я считаю, что ситуация все равно будет меняться в лучшую сторону.
Достоинства электромобилей Тесла
1. Заправка электроэнергией более выгодна, чем заправка горючим
Причём выгода весьма существенная и для полного понимания этого обстоятельства, мы проведём некоторые не сложные расчёты.
Возьмём за пример самые мощные аккумуляторы, которые можно встретить на электромашинах Тесла — 100 кВт⋅ч. Такой девайс будет обеспечивать запас хода приблизительно около 500 километров. В Москве стоимость 1 кВт⋅ч составляет около 6 руб. Для заправки нашей 100-киловаттной Теслы понадобится всего 600 руб.: 100×6=600. Делим сумму 600 руб. на пробег 500 км и получаем стоимость 1,2 руб. за 1 км пробега.
А как обстоят дела с бензином? Здесь мы возьмём за пример автомобиль массового производства — Lada Granta, потребляющий 7 л горючего на 100 км пути. При приблизительной стоимости бензина в Москве 43 рубля за литр, на сто километров дороги придётся потратить около трёх сотен рублей: 300/100=3 руб. на 1 км. В общем-то, практически такое же соотношение можно наблюдать по всему земному шару.
Все эти расчёты говорят о том, что заправка транспортного средства электрической энергией обойдётся почти в три раза дешевле, чем если расходовать бензин.
2. Экологическая чистота
Электрокары превосходят машины оборудованные ДВС не только технически, они ещё и окружающую среду не загрязняют. Для человека атмосфера вздобренная вредными выбросами не проходит бесследно: дают о себе знать самые различные заболевания, которые больше всего угрожают гражданам проживающим в мегаполисах. Электромобили в этом плане не наносят никакого вреда — у них просто нет выхлопа. В некоторых странах, в борьбе за чистоту экологии, правительство освобождает владельцев электрических автомобилей от уплаты транспортного налога.