รถยนต์ไฟฟ้า Nikola Tesla

มอเตอร์ไฟฟ้ามีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในมาก ทำไมและเมื่อไหร่

ความจริงพื้นฐานคือปัญหาของรถยนต์ไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับแหล่งพลังงาน แต่สามารถมองได้จากมุมมองที่ต่างออกไป เช่นเดียวกับหลายๆ สิ่งในชีวิตที่เรามักมองข้าม มอเตอร์ไฟฟ้าและระบบควบคุมในยานยนต์ไฟฟ้าถือเป็นอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้มากที่สุดในยานพาหนะเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้บรรลุสถานการณ์นี้ พวกเขาได้พัฒนามาไกลมาก ตั้งแต่การค้นพบความเชื่อมโยงระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก ไปจนถึงการเปลี่ยนแปลงที่มีประสิทธิภาพเป็นแรงทางกล หัวข้อนี้มักถูกมองข้ามไปในบริบทของการพูดคุยเกี่ยวกับการพัฒนาเทคโนโลยีของเครื่องยนต์สันดาปภายใน แต่จำเป็นต้องพูดถึงเครื่องจักรที่เรียกว่ามอเตอร์ไฟฟ้ามากขึ้นเรื่อย ๆ

มอเตอร์หนึ่งหรือสองตัว

หากคุณดูที่กราฟประสิทธิภาพของมอเตอร์ไฟฟ้า ไม่ว่าจะเป็นประเภทใด คุณจะสังเกตได้ว่ามอเตอร์มีประสิทธิภาพมากกว่า 85 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งมักจะมากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ และมีประสิทธิภาพสูงสุดที่โหลดประมาณ 75 เปอร์เซ็นต์ ขีดสุด. เมื่อกำลังและขนาดของมอเตอร์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ช่วงของประสิทธิภาพก็ขยายตามไปด้วย โดยที่มอเตอร์ไฟฟ้าสามารถไปถึงระดับสูงสุดได้เร็วกว่านั้น - บางครั้งที่โหลด 20 เปอร์เซ็นต์ อย่างไรก็ตาม มีอีกด้านหนึ่งสำหรับเหรียญ - แม้จะมีช่วงขยายของประสิทธิภาพที่สูงขึ้น แต่การใช้มอเตอร์ที่ทรงพลังมากที่มีโหลดต่ำมากสามารถนำไปสู่การเข้าสู่โซนประสิทธิภาพต่ำได้บ่อยครั้ง ดังนั้นการตัดสินใจเกี่ยวกับขนาด กำลัง จำนวน (หนึ่งหรือสอง) และการใช้งาน (หนึ่งหรือสองขึ้นอยู่กับโหลด) ของมอเตอร์ไฟฟ้าจึงเป็นกระบวนการที่เป็นส่วนหนึ่งของงานออกแบบในการสร้างรถยนต์ ในบริบทนี้ เป็นที่เข้าใจได้ว่าเหตุใดจึงมีมอเตอร์สองตัวแทนที่จะเป็นมอเตอร์ที่ทรงพลังจะดีกว่า เพื่อไม่ให้เข้าสู่พื้นที่ที่มีประสิทธิภาพต่ำบ่อยครั้ง และเนื่องจากมีความเป็นไปได้ที่จะปิดเครื่องเมื่อโหลดต่ำ ดังนั้นเมื่อโหลดบางส่วนเช่นใน Tesla Model 3 Performance จะใช้เฉพาะเครื่องยนต์ด้านหลังเท่านั้น ในรุ่นที่ทรงพลังน้อยกว่าจะเป็นรุ่นเดียวและในรุ่นที่มีไดนามิกมากขึ้นรุ่นอะซิงโครนัสจะเชื่อมต่อกับเพลาหน้า นี่เป็นข้อดีอีกประการของรถยนต์ไฟฟ้า - กำลังสามารถเพิ่มได้ง่ายขึ้น โหมดต่างๆ จะถูกใช้ขึ้นอยู่กับความต้องการด้านประสิทธิภาพ และระบบส่งกำลังคู่เป็นผลข้างเคียงที่มีประโยชน์ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพที่ลดลงเมื่อโหลดต่ำไม่ได้ป้องกันความจริงที่ว่ามอเตอร์ไฟฟ้าสร้างแรงขับที่ความเร็วเป็นศูนย์ไม่เหมือนกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน เนื่องจากหลักการทำงานและปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กแตกต่างกันโดยพื้นฐานแม้ในสภาวะดังกล่าว ความจริงของประสิทธิภาพที่กล่าวมาข้างต้นเป็นหัวใจของการออกแบบเครื่องยนต์และโหมดการทำงาน ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว เครื่องยนต์ขนาดใหญ่ที่ทำงานต่อเนื่องในโหลดต่ำจะไม่มีประสิทธิภาพ

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ความหลากหลายในแง่ของการผลิตมอเตอร์จึงขยายตัว มีการพัฒนาข้อตกลงและการจัดเตรียมมากขึ้นเรื่อยๆ โดยผู้ผลิตบางราย เช่น BMW และ VW ออกแบบและผลิตรถยนต์ของตนเอง บางรายซื้อหุ้นในบริษัทที่เกี่ยวข้องกับธุรกิจนี้ และยังมีรายอื่นๆ ที่จ้างซัพพลายเออร์ภายนอก เช่น Bosch ในกรณีส่วนใหญ่ หากคุณอ่านข้อมูลจำเพาะของรุ่นที่ใช้พลังงานไฟฟ้า คุณจะพบว่ามอเตอร์ของมันคือ "ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร AC" อย่างไรก็ตามผู้บุกเบิกของเทสลาใช้โซลูชันอื่นในทิศทางนี้ - มอเตอร์แบบอะซิงโครนัสในรุ่นก่อนหน้าทั้งหมดและแบบอะซิงโครนัสและที่เรียกว่ารวมกัน “มอเตอร์เปลี่ยนแรงต้านเป็นตัวขับเพลาหลังในรุ่น 3 Performance ในรุ่นที่ถูกกว่าพร้อมระบบขับเคลื่อนล้อหลังเท่านั้น ออดี้ยังใช้มอเตอร์แบบเหนี่ยวนำสำหรับรุ่น q-tron และการผสมผสานระหว่างมอเตอร์แบบซิงโครนัสและอะซิงโครนัสสำหรับ e-tron Q4 ที่กำลังจะมาถึง มันเกี่ยวกับอะไรกันแน่?

รถยนต์ไฟฟ้า Nikola Tesla

ความจริงที่ว่า Nikola Tesla คิดค้นมอเตอร์ไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่ามอเตอร์ไฟฟ้า "แบบอะซิงโครนัส" (ย้อนกลับไปในปลายศตวรรษที่ 19) ไม่มีความสัมพันธ์โดยตรงกับความจริงที่ว่าโมเดลของเทสลามอเตอร์เป็นหนึ่งในรถยนต์ไม่กี่คันที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องจักรดังกล่าว . ... อันที่จริง หลักการทำงานของมอเตอร์เทสลาได้รับความนิยมมากขึ้นในยุค 60 เมื่ออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ค่อยๆ ปรากฏขึ้นภายใต้ดวงอาทิตย์ และวิศวกรชาวอเมริกัน Alan Coconi ได้พัฒนาอินเวอร์เตอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบพกพาที่สามารถแปลงแบตเตอรี่กระแสตรง (DC) เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ) ตามความจำเป็นสำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำ และในทางกลับกัน (ในกระบวนการกู้คืน) การผสมผสานระหว่างอินเวอร์เตอร์ (หรือที่รู้จักในชื่อทรานส์เวอร์เชิงวิศวกรรม) และมอเตอร์ไฟฟ้าที่พัฒนาโดย Coconi ได้กลายเป็นพื้นฐานสำหรับ GM EV1 ที่มีชื่อเสียง และ tZERO ที่ดูสปอร์ตในรูปแบบที่ปราณีตยิ่งขึ้น โดยการเปรียบเทียบกับการค้นหาวิศวกรชาวญี่ปุ่นจาก Toyota ระหว่างการสร้าง Prius และการค้นพบสิทธิบัตร TRW ผู้สร้าง Tesla ได้ค้นพบรถยนต์ tZERO ในที่สุด พวกเขาซื้อใบอนุญาต tZero และใช้เพื่อสร้างรถเปิดประทุน
ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของมอเตอร์เหนี่ยวนำคือไม่ใช้แม่เหล็กถาวรและไม่ต้องการโลหะที่มีราคาแพงหรือหายากซึ่งมักถูกขุดในสภาวะที่สร้างปัญหาทางศีลธรรมให้กับผู้บริโภค อย่างไรก็ตามมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กแบบอะซิงโครนัสและแม่เหล็กถาวรใช้ประโยชน์จากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างเต็มที่ในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์รวมถึงการสร้าง MOSFET ที่มีทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์ภาคสนามและทรานซิสเตอร์แยกสองขั้ว (IGBTs) ล่าสุด ความก้าวหน้านี้ทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์อินเวอร์เตอร์ขนาดกะทัดรัดดังกล่าวได้และโดยทั่วไปแล้วอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังทั้งหมดในรถยนต์ไฟฟ้า อาจดูเป็นเรื่องเล็กน้อยที่ความสามารถในการแปลง DC เป็นแบตเตอรี่ AC 150 เฟสได้อย่างมีประสิทธิภาพและในทางกลับกันส่วนใหญ่เกิดจากความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการควบคุม แต่ควรระลึกไว้เสมอว่ากระแสไฟฟ้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงกว่าปกติในครัวเรือนหลายเท่า เครือข่ายไฟฟ้าและมักมีค่าเกิน XNUMX แอมแปร์ สิ่งนี้ก่อให้เกิดความร้อนจำนวนมากที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต้องจัดการ

แต่กลับไปที่เรื่องของมอเตอร์ไฟฟ้า เช่นเดียวกับเครื่องยนต์สันดาปภายในสามารถแบ่งออกเป็นคุณสมบัติต่างๆได้และ "เวลา" ก็เป็นหนึ่งในนั้น ในความเป็นจริงนี่เป็นผลมาจากวิธีการสร้างสรรค์ที่แตกต่างกันที่สำคัญกว่าในแง่ของการสร้างและปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็ก แม้ว่าแหล่งที่มาของกระแสไฟฟ้าในตัวแบตเตอรี่จะเป็นไฟฟ้ากระแสตรง แต่ผู้ออกแบบระบบไฟฟ้าก็ไม่ได้คิดที่จะใช้มอเตอร์กระแสตรง แม้จะคำนึงถึงความสูญเสียจากการแปลงหน่วย AC และโดยเฉพาะอย่างยิ่งหน่วยซิงโครนัสก็มีประสิทธิภาพดีกว่าคู่แข่งด้วยองค์ประกอบ DC แล้วมอเตอร์แบบซิงโครนัสหรืออะซิงโครนัสหมายความว่าอย่างไร?

บริษัท รถยนต์ไฟฟ้า

มอเตอร์ทั้งแบบซิงโครนัสและอะซิงโครนัสเป็นประเภทของเครื่องไฟฟ้าสนามแม่เหล็กหมุนที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า โดยทั่วไปโรเตอร์แบบเหนี่ยวนำประกอบด้วยแผ่นทึบแท่งโลหะที่ทำจากอลูมิเนียมหรือทองแดง (ใช้กันมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา) พร้อมขดลวดในวงปิด กระแสไหลในขดลวดสเตเตอร์ในคู่ตรงข้ามโดยมีกระแสจากหนึ่งในสามเฟสไหลในแต่ละคู่ เนื่องจากในแต่ละส่วนจะถูกเลื่อนไปในเฟส 120 องศาเมื่อเทียบกับอีกสนามหนึ่งจึงเรียกว่าสนามแม่เหล็กหมุน จุดตัดของขดลวดโรเตอร์กับเส้นของสนามแม่เหล็กจากสนามที่สร้างโดยสเตเตอร์นำไปสู่การไหลของกระแสในโรเตอร์ซึ่งคล้ายกับปฏิสัมพันธ์บนหม้อแปลง
สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะโต้ตอบกับการ "หมุน" ในสเตเตอร์ซึ่งนำไปสู่การจับโรเตอร์เชิงกลและการหมุนตามมา อย่างไรก็ตามด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าประเภทนี้โรเตอร์จะล้าหลังสนามเสมอเพราะหากไม่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างสนามและโรเตอร์จะไม่มีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นในโรเตอร์ ดังนั้นระดับความเร็วสูงสุดจะถูกกำหนดโดยความถี่ของกระแสจ่ายและโหลด อย่างไรก็ตามเนื่องจากประสิทธิภาพที่สูงขึ้นของมอเตอร์ซิงโครนัสผู้ผลิตส่วนใหญ่จึงยึดติดกับพวกเขา แต่ด้วยเหตุผลข้างต้น Tesla ยังคงเป็นผู้สนับสนุนมอเตอร์แบบอะซิงโครนัส

ใช่ เครื่องจักรเหล่านี้มีราคาถูกกว่า แต่ก็มีข้อเสีย และทุกคนที่ทดสอบการเร่งความเร็วต่อเนื่องหลายครั้งกับ Model S จะบอกคุณว่าประสิทธิภาพลดลงอย่างมากในการทำซ้ำแต่ละครั้งอย่างไร กระบวนการเหนี่ยวนำและการไหลของกระแสทำให้เกิดความร้อน และเมื่อเครื่องไม่เย็นลงภายใต้ภาระสูง ความร้อนจะสะสมและความสามารถจะลดลงอย่างมาก เพื่อวัตถุประสงค์ในการป้องกัน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะลดปริมาณกระแสไฟฟ้าและประสิทธิภาพการเร่งความเร็วจะลดลง และอีกอย่างหนึ่ง - เพื่อใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า มอเตอร์เหนี่ยวนำจะต้องถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก นั่นคือ "ส่ง" กระแสเริ่มต้นผ่านสเตเตอร์ ซึ่งสร้างสนามและกระแสในโรเตอร์เพื่อเริ่มกระบวนการ จากนั้นเขาก็สามารถเลี้ยงตัวเองได้

มอเตอร์แบบอะซิงโครนัสหรือซิงโครนัส

หน่วยซิงโครนัสมีประสิทธิภาพและความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างมอเตอร์เหนี่ยวนำคือสนามแม่เหล็กในโรเตอร์ไม่ได้ถูกเหนี่ยวนำโดยปฏิสัมพันธ์กับสเตเตอร์ แต่เป็นผลมาจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดเพิ่มเติมที่ติดตั้งอยู่หรือแม่เหล็กถาวร ดังนั้นสนามในโรเตอร์และสนามในสเตเตอร์จึงเป็นแบบซิงโครนัส แต่ความเร็วของมอเตอร์สูงสุดก็ขึ้นอยู่กับการหมุนของสนามตามลำดับตามความถี่และโหลดปัจจุบัน เพื่อหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการจ่ายไฟเพิ่มเติมให้กับขดลวดซึ่งจะเพิ่มการใช้ไฟฟ้าและทำให้การควบคุมกระแสมีความยุ่งยากจึงใช้มอเตอร์ไฟฟ้าที่เรียกว่าการกระตุ้นแบบคงที่ในรถยนต์ไฟฟ้าสมัยใหม่และรุ่นไฮบริด ด้วยแม่เหล็กถาวร ดังที่ได้กล่าวไปแล้วผู้ผลิตยานพาหนะประเภทนี้เกือบทั้งหมดในปัจจุบันใช้หน่วยประเภทนี้ดังนั้นตามที่ผู้เชี่ยวชาญหลายคนยังคงมีปัญหากับการขาดแคลนนีโอดิเมียมและดิสโพรเซียมดินหายากราคาแพง การลดการใช้งานเป็นส่วนหนึ่งของความต้องการของวิศวกรในสาขานี้

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

การออกแบบแกนโรเตอร์มีศักยภาพสูงสุดในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องไฟฟ้า
มีโซลูชันทางเทคโนโลยีที่หลากหลายพร้อมแม่เหล็กติดพื้นผิว โรเตอร์รูปดิสก์ พร้อมแม่เหล็กในตัวภายใน ที่น่าสนใจคือวิธีแก้ปัญหาของ Tesla ซึ่งใช้เทคโนโลยีดังกล่าวที่เรียกว่า Switched Reluctance Motor เพื่อขับเคลื่อนเพลาหลังของ Model 3 "การฝืน" หรือความต้านทานแม่เหล็กเป็นคำที่ตรงกันข้ามกับการนำแม่เหล็ก คล้ายกับความต้านทานไฟฟ้าและการนำไฟฟ้าของวัสดุ มอเตอร์ประเภทนี้ใช้ปรากฏการณ์ที่ฟลักซ์แม่เหล็กมีแนวโน้มที่จะผ่านส่วนของวัสดุที่มีความต้านทานแม่เหล็กน้อยที่สุด เป็นผลให้มันแทนที่วัสดุที่ไหลผ่านเพื่อให้ผ่านส่วนที่มีความต้านทานน้อยที่สุด เอฟเฟกต์นี้ใช้ในมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อสร้างการเคลื่อนที่แบบหมุน - ด้วยเหตุนี้วัสดุที่มีความต้านทานแม่เหล็กต่างกันจะสลับกันในโรเตอร์: แข็ง (ในรูปของแผ่นเฟอร์ไรต์นีโอดิเมียม) และแบบอ่อน (แผ่นเหล็ก) ในความพยายามที่จะผ่านวัสดุที่มีความต้านทานต่ำ ฟลักซ์แม่เหล็กจากสเตเตอร์จะหมุนโรเตอร์จนกว่าจะอยู่ในตำแหน่งที่จะทำเช่นนั้น ด้วยการควบคุมปัจจุบัน สนามจะหมุนโรเตอร์อย่างต่อเนื่องในตำแหน่งที่สบาย นั่นคือ การหมุนไม่ได้เริ่มต้นในระดับดังกล่าวโดยปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กเนื่องจากแนวโน้มของสนามที่จะไหลผ่านวัสดุที่มีความต้านทานน้อยที่สุดและผลที่ตามมาของการหมุนของโรเตอร์ โดยการสลับวัสดุที่แตกต่างกัน จำนวนของส่วนประกอบที่มีราคาแพงจะลดลง

ขึ้นอยู่กับการออกแบบ เส้นโค้งประสิทธิภาพและแรงบิดจะเปลี่ยนไปตามความเร็วรอบเครื่องยนต์ ในขั้นต้นมอเตอร์เหนี่ยวนำมีประสิทธิภาพต่ำที่สุดและมอเตอร์ที่สูงที่สุดจะมีแม่เหล็กพื้นผิว แต่ในช่วงหลังความเร็วจะลดลงอย่างรวดเร็ว เครื่องยนต์ BMW i3 มีลักษณะไฮบริดที่ไม่เหมือนใคร ด้วยการออกแบบที่ผสมผสานแม่เหล็กถาวรและเอฟเฟกต์ "ฝืนใจ" ที่อธิบายไว้ข้างต้น ดังนั้น มอเตอร์ไฟฟ้าจึงมีกำลังและแรงบิดคงที่ในระดับสูง ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของเครื่องจักรที่มีโรเตอร์กระตุ้นด้วยไฟฟ้า แต่มีน้ำหนักน้อยกว่ามอเตอร์มาก (มอเตอร์รุ่นหลังมีประสิทธิภาพในหลายๆ ด้าน แต่ไม่ใช่ในแง่ของน้ำหนัก) หลังจากนี้ เป็นที่ชัดเจนว่าประสิทธิภาพลดลงที่ความเร็วสูง ซึ่งเป็นสาเหตุที่ผู้ผลิตจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ บอกว่าพวกเขาจะมุ่งเน้นไปที่การส่งสัญญาณสองความเร็วสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้า

คำถามและคำตอบ:

เทสลาใช้เครื่องยนต์อะไร? เทสลาทุกรุ่นเป็นรถยนต์ไฟฟ้า ดังนั้นจึงมีการติดตั้งมอเตอร์ไฟฟ้าโดยเฉพาะ เกือบทุกรุ่นจะมีมอเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟสอยู่ใต้ฝากระโปรงหน้า

เครื่องยนต์เทสลาทำงานอย่างไร มอเตอร์ไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสทำงานเนื่องจากการเกิดขึ้นของ EMF เนื่องจากการหมุนในสเตเตอร์ที่อยู่กับที่ของสนามแม่เหล็ก การเดินทางย้อนกลับนั้นมาจากการกลับขั้วของคอยล์สตาร์ท

เครื่องยนต์ของเทสลาอยู่ที่ไหน? รถยนต์เทสลาเป็นแบบขับเคลื่อนล้อหลัง ดังนั้นมอเตอร์จึงอยู่ระหว่างเพลาล้อหลัง มอเตอร์ประกอบด้วยโรเตอร์และสเตเตอร์ซึ่งติดต่อกันผ่านแบริ่งเท่านั้น

เครื่องยนต์เทสลามีน้ำหนักเท่าไหร่? น้ำหนักของมอเตอร์ไฟฟ้าที่ประกอบสำหรับรุ่นเทสลาคือ 240 กิโลกรัม โดยทั่วไปจะใช้การดัดแปลงเครื่องยนต์หนึ่งครั้ง