Принцип работы асинхронного двигателя автомобиля тесла сравнение с двигателем nissan leaf

Обновлено: 05.07.2024

В предыдущей моей заметке про мотор первой TESLA MODEL S ( Почему тесла такая мощная ) для многих стало неожиданностью использование в этом автомобиле асинхронного электродвигателя. Не буду скрывать, что когда сам узнал об этом был изумлен не меньше и долго копался по сети думая, что меня обманывают. Но нет, все правильно.

По преданию именно Никола Тесла придумал асинхронный мотор и поэтому компания Илона Маска использовала этот мотор. Или наоборот, использовала асинхронный мотор и поэтому назвала автомобиль в честь Николы Теслы. Вопрос курицы, яйца и религии.

Напомню, что в асинхронном моторе Теслы переменный ток подается на обмотки статора, которые индуцируют электромагнитную силу в медном роторе. Под воздействием переменного тока в статоре ротор начинает раскручиваться. Поэтому если не применять никаких дополнительных устройств а питать мотор прямо "из розетки" он всегда будет работать на одной частоте вращения.

В автомобиле нет переменного тока. Батареи выдают постоянный ток. Поэтому этот постоянный ток преобразуется в инверторе в переменный с переменной частой. Короче, с помощью хитрого электрического устройства можно заставить асинхронный мотор крутиться с разной частотой.

Но у асинхронного электродвигателя есть свои достоинства и недостатки. Во-первых он сильно греется, во вторых обладая отличной мощностью, он не очень эффективен на низких оборотах.

Казалось бы, что следующим шагом Теслы будет использование синхронного электродвигателя с магнитным ротором. Это пожалуй самое распространенное на сегодня решение в электротранспорте на батарейках. Но нет.

В недорогие (в России от 3,5 млн) Tesla Model 3 стали ставить моторы у которых ротор состоит из редкоземельных магнитов склеенных магнитную сборку Хальбаха, что позволяет добиваться большей производительности чем у конкурентов.

К сожалению, Тесла пока не делиться всеми секретами создания таких высокопроизводительных электродвигателей, и приходится наслаждаться только результатами реверс-инжиниринга.

Вот на фото ротор мотора Tesla Model 3

Для того что бы мотор крутился, инвертор берет постоянный ток из батареи и создает бегущую волну в статоре, за которой пытаясь ее догнать вращается и ротор.

Господа, возникло подозрение, что информация о том что в моторе Тесла Модел 3 нет магнитов неверная. Я изучу вопрос и вернусь с ответом
_____________________________________

Такой мотора обладает более высокой эффективностью в 97% против 93% асинхронника от Tesla Model S, но не может похвастаться столь же впечатляющими характеристиками. Самая "простая" Tesla Model 3 оснащается одним мотором с мощностью всего 193 кВт.

Зато она обладает лучшей эффективностью.

Этот же мотор теперь применяется и на всех двухмоторных Теслах. Такое использование позволяет комбинировать достоинства каждого вида электродвигателя. Так асинхронный мотор позволяет добиваться впечатляющей динамики разгона, а синхронный экономит электричество при равномерном движении, когда асинхронник находится в полусонном состоянии.

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)

Задний Drive Unit

Задний тяговый асинхронный электродвигатель с медным ротором имеет пиковые 503 Hp, а максимальные обороты двигателя составляют 16 000 об/мин

А вот так он выглядит на автомобиле

Drive Unit расположен между задними колесами авто, это дает колоссальные преимущества по экономии пространства под капотом. Слева расположен тяговый электромотор, справа инвертор (устройство преобразующее постоянный ток от тяговой батареи в переменный ток для электромотора). Многие думаю что это два электромотора)))

Ротор электродвигателя с медной беличьей клеткой (в промышленности обычно используют более дешевые электромоторы с алюминиевым ротором)

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.

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

ну так на что смотреть когда выбираешь ведро ? На мощность или момент ?

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"

ну так на что смотреть когда выбираешь ведро ? На мощность или момент ?

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.

это откуда числа ?

ну так это совсем другое, это считай электрическое сцепление

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.

Я просто смотрел мега заводское видео и удивлялся, почему они используют двигатель переменного тока, которому требуется преобразователь питания вместо постоянного тока, который может питаться напрямую от их батареи постоянного тока? Введение инвертора означает большую стоимость (вес, контроллер и т. Д.).

Есть ли для этого причины? Какие различия между двигателем переменного и постоянного тока могут привести к этому решению? Также кто-нибудь знает, какой двигатель используется в других электромобилях?

Причина в стоимости. Стоимость магнитов слишком высока. Теперь они могут делать дешевые машины и продавать в 3 раза дороже по сравнению с конкурентами и максимизировать прибыль. Вы можете видеть, что Hyundai Ioniq почти в два раза эффективнее, чем Tesla (см. Сайт EPA). Они полагаются на тот факт, что нормальные люди будут просто учитывать максимальное расстояние за плату, характеристики и цену. Чем выше цена, тем лучше, чтобы у других не было того, что у вас есть, и вы можете утверждать, что ваша цена лучше зависит от цены и результатов маркетинговых усилий Tesla. Все счастливы. Яблоко сделало то же самое и посмотри, как у них дела .

Вы спрашиваете о технических компромиссах, связанных с выбором тягового двигателя для электромобиля. Описание полного пространства дизайна значительно превосходит то, что здесь можно резюмировать, но я опишу основные компромиссы дизайна для такого приложения.

Поскольку количество энергии, которое может храниться химически (например, в батарее), весьма ограничено, почти все электромобили разработаны с учетом эффективности. Большинство тяговых двигателей для транзитного применения в автомобильной промышленности имеют пиковую мощность от 60 до 300 кВт. Закон Ома указывает на то, что потери мощности в кабелях, обмотках двигателя и межсоединениях аккумуляторных батарей составляют P = I 2 R. Таким образом, уменьшение тока в два раза снижает потери сопротивления в 4 раза. В результате большинство автомобильных заявки выполняется при номинальном напряжении цепи постоянного тока между 288 и 36 _номом (есть и другие причины для этого выбора напряжения, тоже, но давайте сосредоточимся на потерях). Напряжение питания имеет отношение к данному обсуждению, поскольку некоторые двигатели, такие как Brush DC, имеют практические верхние пределы напряжения питания из-за искрения коммутатора.

Игнорируя более экзотические моторные технологии, такие как переключаемое / переменное сопротивление, существует три основных категории электродвигателей, используемых в автомобильной промышленности:

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC): с электронным управлением от инвертора, постоянные магниты на роторе, обмотки на статоре.

Асинхронный двигатель : с электронным управлением от инвертора, индукционного ротора, обмоток на статоре.

Ниже приведены некоторые дерзкие обобщения относительно компромиссов между тремя технологиями двигателя. Есть множество точечных примеров, которые не поддаются этим параметрам; Моя цель - поделиться тем, что я бы посчитал номинальными значениями для этого типа приложения.

- КПД:
Brush DC: двигатель: ~ 80%, контроллер постоянного тока: ~ 94% (пассивный возврат), NET = 75%
BLDC: ~ 93%, инвертор: ~ 97% (синхронный возврат или гистерезисное управление), NET = 90%
Индукция: ~ 91%: инвертор: 97% (синхронный возврат или гистерезисное управление), NET = 88%

- износ / обслуживание:
щетка постоянного тока: щетки подвержены износу; требуют периодической замены. Подшипники.
BLDC: Подшипники (срок службы)
Индукция: Подшипники (срок службы)

- Удельная стоимость (стоимость за кВт), включая инвертор
Brush DC: Низкий - двигатель и контроллер, как правило, недорогие.
BLDC: Высокомощные постоянные магниты очень дороги.
Индукция: умеренная - инверторы увеличивают стоимость, но двигатель дешев.

-
Щетка отвода тепла постоянного тока: обмотки на роторе затрудняют отвод тепла как от ротора, так и от коммутатора для двигателей большой мощности.
BLDC: Обмотки на статоре обеспечивают прямой отвод тепла. Магниты на роторе имеют низко-умеренный вихревой ток, индуцированный нагрев.
Индукция: Обмотки на статоре обеспечивают прямой отвод тепла от статора. Индуцированные токи в роторе могут потребовать масляного охлаждения в приложениях с высокой мощностью (вход и выход через вал, без разбрызгивания).

- Поведение крутящего момента / скорости.
Кисть постоянного тока: теоретически бесконечный крутящий момент при нулевой скорости, крутящий момент падает с увеличением скорости. Автомобильные применения с щеточным приводом обычно требуют 3-4 передаточных чисел, чтобы охватить весь автомобильный диапазон характеристик и максимальной скорости. В течение нескольких лет я водил электромотор EV с двигателем постоянного тока мощностью 24 кВт, который мог разжечь шины с места (но изо всех сил пытался достичь скорости 65 миль в час).
BLDC: постоянный крутящий момент до базовой скорости, постоянная мощность до максимальной скорости. Автомобильные применения жизнеспособны с коробкой передач с одним передаточным числом.
Индукция: постоянный крутящий момент до базовой скорости, постоянная мощность до максимальной скорости. Автомобильные применения жизнеспособны с коробкой передач с одним передаточным числом. Может потребоваться сотни мсек для создания крутящего момента после подачи тока

- Разное:
щетка постоянного тока: при высоких напряжениях искрение коммутатора может быть проблематичным. Щеточные двигатели постоянного тока канонически используются в тележках для гольфа и вилочных погрузчиках (24 В или 48 В), хотя более новые модели являются индукционными благодаря повышенной эффективности. Регенеративное торможение сложно и требует более сложного регулятора скорости.
BLDC: проблемы с стоимостью и сборкой магнитов (магниты ОЧЕНЬ мощные) делают двигатели BLDC жизнеспособными для применений с более низкой мощностью (например, два двигателя / генератора Prius). Регенеративное торможение происходит по существу бесплатно.
Индукция: двигатель относительно дешев в изготовлении, а силовая электроника для автомобильной промышленности за последние 20 лет значительно снизилась в цене. Регенеративное торможение происходит по существу бесплатно.

Опять же, это только краткий обзор некоторых основных драйверов для выбора двигателя. Я намеренно опустил удельную мощность и удельный крутящий момент, так как они имеют тенденцию значительно отличаться от фактической реализации.

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.

Смотрите также: Почему Tesla Model S не подходит для спортивного использования?

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.

Благодаря же транзисторам асинхронный двигатель можно использовать с обычными магнитами. В асинхронном моторе используются электромагниты (катушки проволоки и т. д.), которые можно включать и выключать или переключать много раз в секунду благодаря транзисторам с эзотерическими названиями, такими как дополнительный полевой транзистор на основе оксида металла (MOS) -FET) или биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT).

Асинхронный двигатель, конечно, потрясающий мотор. Но не идеальный. В двигателе Tesla используется дорогостоящий и сложный в изготовлении ротор, изготовленный из меди. А благодаря особенности работы асинхронных двигателей ротор имеет тенденцию нагреваться и даже перегреваться. Тепло – это потраченная впустую энергия (известная как потеря i 2 r). В электроавтомобиле это имеет огромное значение. Асинхронный электромотор также не так эффективен на низких скоростях, в отличие от других двигателей. Поэтому эта технология открыта для новых решений, которые бы привели к созданию более эффективных электродвигателей, а также к снижению затрат себестоимости.

В зависимости от модели автомобили Tesla оснащаются одним или двумя электродвигателями. Например, заднеприводная модель Tesla Model S оснащается 3-фазным 4-полюсным асинхронным двигателем (вверху справа). Электроника привода инвертора (слева). Редуктор 9.73:1 и задний дифференциал (в центре) собраны в одну маслонаполненную часть, расположенную в задней части машины. Задние колеса приводятся в движение непосредственно этим устройством.

Полноприводные модели Tesla Model S оснащены аналогичным передним приводом со вторым асинхронным двигателем и редуктором 8.28:1, который и приводит непосредственно в движение передние колеса.

В Tesla Model 3 на задних колесах используется вот этот двигатель:

Этот трехфазный 6-полюсный двигатель с постоянным магнитом с переключаемым сопротивлением (справа), электроникой привода инвертора (слева), редуктором 9:1 и задним дифференциалом (в центре) собран в едином блоке, который и вращает задние колеса.

В моделях с полным приводом в Tesla Model 3 используется 3-фазный 4-полюсный асинхронный двигатель и редуктор, которые непосредственно и приводят передние колеса в движение. На скоростях этот асинхронный мотор немного более эффективный, чем задний двигатель PM-SR. Именно поэтому он используется для обеспечения большей части крутящего момента.

Двигатель PMSR заднего привода Tesla модели 3 (статор и ротор) (технология Bloomberg). Трехфазный 6-полюсный двигатель с постоянным магнитом и переключаемым сопротивлением (PM-SRM) имеет даже более высокую производительность и эффективность, чем асинхронные двигатели, используемые в других автомобилях Tesla.

Ротор двигателя PMSR заднего привода Tesla Model 3 (технология Bloomberg)

Статор PMSR заднего привода Tesla Model 3 (технология Bloomberg)

Читайте также: