Почему автомобиль Tesla использует двигатель переменного тока вместо двигателя постоянного тока?

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?

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:

Щеточный двигатель постоянного тока : с механической коммутацией, для управления крутящим моментом требуется только простой «прерыватель» постоянного тока. В то время как щеточные двигатели постоянного тока могут иметь постоянные магниты, размер магнитов для тяговых применений делает их непомерно дорогими. В результате большинство тяговых двигателей постоянного тока имеют последовательную или шунтирующую обмотку. В такой конфигурации имеются обмотки как на статоре, так и на роторе.

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.

... а теперь почему Tesla использует асинхронные двигатели

Остальные ответы отличные и получаются по техническим причинам. Следуя Тесле и рынку электромобилей в целом в течение многих лет, я бы хотел ответить на ваш вопрос о том, почему Tesla использует асинхронные двигатели.

Фон

Элон Маск (соучредитель Tesla) происходит из мышления Силиконовой долины (SV), где мантра - «двигаться быстро и ломать вещи». Когда он обналичил PayPal на несколько сотен миллионов, он решил заняться (исследованием космоса) электромобилей. В SV-land время / скорость для достижения цели - это все, поэтому он огляделся по сторонам, чтобы найти что-то, что он мог бы использовать в качестве отправной точки для начала.

JB Straubel был инженером-единомышленником (как из космоса, так и из EV), который обратился к Маску вскоре после того, как Маск проявил интерес к космосу и EV.

Во время их первой встречи за обедом Страубель упомянул компанию AC Propulsion, которая разработала прототип спортивного электромобиля с использованием каркаса автомобильного комплекта. Уже во втором поколении он недавно переключился на использование литий-ионных батарей, имел дальность 250 миль, предлагал большой крутящий момент, мог разгоняться до 0-60 менее чем за 4 секунды, но, как ни странно для этого обсуждения, использовал - - как вы уже догадались - AC Propulsion (асинхронный двигатель).

Маск посетил А.С. и ушел очень впечатленный. В течение нескольких месяцев он пытался убедить AC Propulsion в коммерциализации электромобиля, но в то время они не были заинтересованы в этом.

Том Гейдж, президент AC Propulsion, предложил, чтобы Маск объединил свои силы с другим поклонником, состоящим из Мартина Эберхарда, Марка Тарпеннинга и Иана Райта. Они согласились объединить свои усилия: Маск стал председателем и главным руководителем по дизайну продуктов, Эберхард стал генеральным директором, а Штраубель стал техническим директором новой компании, которую они назвали «Тесла Моторс».

Ответ

Итак, у вас это есть, Тесла использует индукцию в основном потому, что его использовал первый жизнеспособный прототип, который видел Маск. Инерция (без каламбура ... хорошо, немного) объясняет остальное ("Если не сломано ...").

Теперь о том, почему AC Propulsion использовали его в своем прототипе Tzero, смотрите другие ответы ... ;-)

Если вам нужна полная история, зайдите сюда или сюда .

Трудно сказать, каковы были точные причины инженеров, не будучи в команде разработчиков, но вот несколько соображений:

1. Оба двигателя требуют одинаковых приводов. Двигатели постоянного тока с щеткой могут работать непосредственно от аккумулятора, но тип двигателя, на который вы смотрите в электромобиле, - это двигатель без щеток постоянного тока. Приводы для асинхронного двигателя и бесщеточного двигателя постоянного тока очень похожи. Управление асинхронным двигателем в целом, вероятно, более сложное.

2. Бесщеточные двигатели постоянного тока имеют магниты в роторе. Это дороже, чем индукционный ротор с медью. Кроме того, рынок магнитов очень нестабилен. С другой стороны, асинхронный двигатель будет иметь гораздо больше тепла, выделяемого в роторе из-за потерь I²R и потерь в сердечнике.

3. Пусковой момент на бесщеточном двигателе обычно выше, чем на асинхронных двигателях.

4. Пиковая эффективность бесщеточных двигателей, как правило, выше, чем у асинхронных двигателей, но я думаю, что где-то читал, что Tesla получает более высокую среднюю эффективность с их асинхронными двигателями, чем с бесщеточными. К сожалению, я не могу вспомнить, где я это читал.

5. Многие люди сейчас исследуют машины с переключаемым сопротивлением. Последние несколько автомобильных конференций, в которых я участвовал, были о переключенном нежелании. Они не требуют магнитов, а эффективность двигателей такого типа выглядит многообещающе. Все хотят убежать от магнитов в моторах.

Итак, как я уже сказал, я сомневаюсь, что кто-нибудь может ответить на ваш вопрос, кроме инженеров в Тесла. Но я думаю, что это как-то связано с моим пунктом 4), но я точно не знаю. Я уверен, что волатильность цен на магниты тоже имеет к этому отношение.

Ответ приходит от самих сотрудников Tesla на статью « Бесщеточные двигатели с индукционным управлением против постоянного тока».

Эта часть особенно заметна:

В идеальном бесщеточном приводе напряженность магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, будет регулироваться. Когда требуется максимальный крутящий момент, особенно на низких скоростях, напряженность магнитного поля (B) должна быть максимальной - так, чтобы токи инвертора и двигателя поддерживались на минимально возможных значениях. Это минимизирует потери I² R (ток² сопротивления) и тем самым оптимизирует эффективность. Аналогично, когда уровни крутящего момента являются низкими, поле B должно быть уменьшено так, чтобы потери на вихрь и гистерезис, вызванные B, также были уменьшены. В идеале B должен быть отрегулирован таким образом, чтобы сумма потерь на вихрь, гистерезис и I2 была минимальной. К сожалению, не существует простого способа замены B с постоянными магнитами.

Напротив, индукционные машины не имеют магнитов, а поля B «регулируемы», поскольку B пропорционально V / f (напряжение к частоте). Это означает, что при небольших нагрузках инвертор может снизить напряжение, так что магнитные потери уменьшатся, а КПД будет максимальным. Таким образом, асинхронная машина при работе с интеллектуальным инвертором имеет преимущество перед бесщеточной машиной постоянного тока - магнитные потери и потери проводимости могут быть распределены таким образом, что эффективность оптимизируется. Это преимущество становится все более важным по мере увеличения производительности. С бесщеточным постоянным током, когда размер машины увеличивается, магнитные потери увеличиваются пропорционально, а эффективность частичной нагрузки падает. С индукцией, когда размер машины увеличивается, потери не обязательно растут. Таким образом, асинхронные приводы могут быть предпочтительным подходом, когда требуется высокая производительность;

Постоянные магниты стоят дорого - примерно 50 долларов за килограмм. Роторы с постоянными магнитами (РМ) также трудно обрабатывать из-за очень больших сил, которые вступают в действие, когда что-либо ферромагнитное приближается к ним. Это означает, что асинхронные двигатели, вероятно, сохранят ценовое преимущество по сравнению с машинами с постоянными магнитами. Кроме того, из-за возможностей асинхронных машин по ослаблению поля номинальные характеристики и стоимость инверторов, по-видимому, ниже, особенно для высокопроизводительных приводов. Поскольку прядильные индукционные машины вырабатывают мало напряжения или вообще не генерируют его при отключении, их легче защитить.

ВСЕ вращающиеся электродвигатели являются двигателями переменного тока. Каждый из них.
Кроме того, в глубине души они делают то же самое. Разница заключается в том, как постоянный ток превращается в переменный ток и как он используется для получения стандартного результата.

Единственный двигатель с электронным управлением постоянного тока - это щеточный двигатель. DC превращается в переменный ток с помощью вращающегося коммутатора и фиксированных щеток. Помимо этого двигателя всем остальным понадобится некоторая форма преобразования постоянного тока в переменный. Щеточный двигатель, как правило, непривлекателен, поскольку механический переключатель постоянного тока в переменный (коммутатор) является относительно дорогим и относительно недолговечным.

Таким образом, для Tesla или другого электромобиля выбор не является постоянным или переменным током, но какая форма электродвигателя переменного тока наилучшим образом соответствует целям конструкции экономически эффективно.

Tesla будет использовать то, что она делает, потому что она достигла целей дизайна наиболее экономически эффективно.

Отрицательные отзывы свидетельствуют о том, что ряд людей согласны с Маркусом и считают, что приведенный выше ответ придирчив. Немного подумав и посмотрев на мои ответы в целом, можно предположить отсутствие понимания со стороны downvoters.

Все вращающиеся электродвигатели являются двигателями переменного тока

• Если вы думаете, что этот момент придирчив, то вам нужно подумать о том, что в целом делает электромобиль.

Давайте посмотрим, есть ли у нижестоящих людей смелость прочитать следующее, а затем удалить свои отрицательные голоса. Для меня это не имеет значения. Если вы вводите в заблуждение других людей, это имеет большое значение.

ВСЕМ роторным электродвигателям требуется контроллер для подачи переменного тока на двигатель каким-либо образом.
Различие между электродвигателем переменного тока и электродвигателем постоянного тока полезно в некоторых контекстах, но в автомобиле, который представляет собой замкнутую систему, которая начинается с источника энергии постоянного тока и заканчивается вращающимся электродвигателем, различие является ложным и бесполезным. Машина закрытая система. Где-то в системе есть контроллер, который в той или иной форме преобразует постоянный ток в переменный. Не имеет значения, установлен ли он внутри статора ротора или ротора, внутри корпуса двигателя, прикреплен к корпусу или где-то еще в автомобиле.

В почищенном щеткой двигателе постоянного тока «контроллер» представляет собой механический переключатель, установленный на конце вала двигателя. Этот контроллер называется коммутатором, но он функционально является контроллером, который принимает постоянный ток и создает погоню за своим магнитным полем переменного тока, что касается обмоток в двигателе.

Статор с постоянным магнитом и обмоткой ротора «Бесщеточный двигатель постоянного тока» функционально очень похож на щеточный двигатель постоянного тока, с заменой коммутатора электронными переключателями и датчиками, которые принимают входящий в комплект постоянный ток и применяют его к различным полям, чтобы они могли преследовать свой хвост как ротор вращается. Опять же, это двигатель переменного тока с контроллером. Просто спросите любую обмотку. Датчики находятся внутри самого двигателя, а переключатели могут находиться рядом с двигателем или дистанционно.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором добавляет определенную сложность, используя вращение гнезда обмоток с низким импедансом внутри поля статора, чтобы вызвать напряжение в стержнях ротора и создать магнитное поле, которое вращает ротор так, что оно преследует вращающееся поле переменного тока. применяется к обмоткам статора. Опять же, он имеет однонаправленный (но синусоидально изменяющийся) постоянный ток во время любой части последовательности привода. Это такая же смешанная система постоянного и переменного тока, как и любая другая.

Можно неохотно описывать приводные двигатели с переменным вихревым током - больше одинаковых, но разных. Это двигатель переменного тока с контроллером, производящим его от постоянного тока.

Проводимое различие не имеет значения и тривиально. Реальный вопрос заключается в том, «почему Тесла использует именно эту форму двигателя, а не какую-то другую». То, что это не просто семантика, а отсутствие понимания, показано

• ... которые требуют питания, а не постоянного тока, который более непосредственно от батареи постоянного тока. Введение Inveter означает большую стоимость (вес, контроллер и т. Д.) ...

Единственным двигателем постоянного тока, который не требует какой-либо инверторной или электронной системы переключения, является механический щеточный двигатель. Они настолько непригодны для работы с легкими приводами с регулируемой скоростью, что их будет мало, если они вообще будут использоваться в современных конструкциях электромобилей. ВСЕ другие типы электродвигателей, у которых нет инвертора, будут иметь некоторую электронику вместо инвертора.

Я сказал ROTARY: «Электродвигатели - это двигатели переменного тока, потому что, возможно, можно создать бесщеточный линейный двигатель с двигателем постоянного тока с коммутируемым режимом работы только с постоянным током, хотя это приведет к неэффективному использованию меди и магнетизма. Вы можете сделать это с помощью роторного двигателя, но без реального мира». мотор в серийном производстве сделал бы так.

Двигатели постоянного тока не могут соответствовать плотности мощности машин переменного тока. Максимальная напряженность поля, которую могут достичь даже самые лучшие магниты, составляет 2,5 тесла через воздушный зазор, и для этого требуется серьезная разработка, особенно если вы хотите быстро вращаться, чтобы ваша плотность мощности была высокой. Индукционные машины довольно комфортно производят 3+ тесла без всякой скорби магнитов и глупых допусков. Очевидно, они не делают это так же эффективно, как машины с постоянным током, но кто сказал, что спортивные машины работают эффективно? Килограмм на кг. Индукционная машина переменного тока является самой мощной из всех типов машин, когда она управляется сложным инвертором и работает на высоких скоростях вращения.

Настоящие причины, по которым они используют асинхронные двигатели для своих автомобилей:

1. асинхронные двигатели дешевле
2. асинхронные двигатели не требуют особого ухода (без щеток)
3. асинхронные двигатели имеют меньший вес
4. В настоящее время доступны новые технологии для управления скоростью асинхронных двигателей (переменное напряжение, переменная частота), которые легко производить в массовом порядке.

ИМХО, AC Propulsion (Tesla Motors) использует переменный ток, потому что двигатель постоянного тока с механической коммутацией, который удовлетворяет высокому коэффициенту «снижения» в транспортном средстве, является более сложным, чем двигатель переменного тока с электронной коммутацией. Без этого высокого коэффициента изменения частоты физический размер двигателя, создающего только необработанный крутящий момент, был бы чрезмерным. Асинхронный двигатель, а не двигатель с постоянными магнитами, не только более финансово устойчив, но и более устойчив с технической точки зрения. Магниты могут быть повреждены. Поля электромагнитных катушек в роторе не так много, и, как они демонстрируют, плотность энергии одинакова.

Я делаю большое исключение из очевидного консенсуса о том, что «Все электродвигатели - это переменный ток», и я основываю свои аргументы на одном полюсном движении, а не на полном обороте двигателя.

В пределах одного однополюсного движения переменный ток действительно требуется только тогда, когда необходимо вызвать ток в паразитной обмотке, как в роторе асинхронных двигателей. В противном случае необходима только коммутация.

Этот аргумент лучше всего можно продемонстрировать, наблюдая двигатель в стойле. Только двигатели без поляризации или с намотанными полями, которые являются асинхронными двигателями, нуждаются в переменном токе для генерации тока поля, который создает реактивное магнитное поле.

Все остальные двигатели должны обеспечивать постоянный ток статора для создания полного крутящего момента при останове. Двигатели с обмоткой возбуждения часто используют переменный ток для генерации поля, но они также отлично работают с постоянным током, возможно, даже с большим крутящим моментом, чем при работе с переменным током.

Мои серводвигатели с ПМ могут прерывать постоянный ток для управления мощностью, но они только отключают постоянный ток, а не инвертируют его при каждом отключении. Установите механический коммутатор на серводвигатель переменного тока PM, и он будет работать на постоянном токе. Правда, не так эффективно, но не из-за отсутствия синусоидальной формы волны. Он также будет ограничен в максимальной скорости без механического щетки.

Потратьте некоторое время, рассматривая свойства останова двигателя с двойной намоткой, двигателя, очевидно, «только для переменного тока», когда поставляется с постоянным током, и, возможно, вы сможете понять мой аргумент. Только когда вы хотите выдвинуть каждый полюс в дополнение к вытягиванию, вы должны подавать переменный ток, в противном случае постоянный ток - это все, что вам нужно, и часто все, что вы используете, даже если источник питания переменного тока.

шифер

Все: щеточные машины ограничены до 48 В, чтобы избежать искрения. В отличие от этого, бесщеточная машина может легко работать от батареи на 240 В с повышением напряжения до 480 В или выше с помощью повышающего преобразователя постоянного тока, расположенного между батареей и двигателем. При таком высоком напряжении, аналогичном тому, которое используется в большинстве современных гибридных или сменных автомобилей, потери контроля скорости сводятся к минимуму по отношению к общей передаваемой мощности, что способствует высокой эффективности.

На самом деле, Tesla использует синхронные электродвигатели, которые используют как переменный, так и постоянный ток. Если бы двигатель использовал только переменный ток, это был бы асинхронный асинхронный двигатель, который является непредсказуемым двигателем для использования в транспортных средствах из-за проскальзывания в электромагнитном поле, когда в роторе индуцируется напряжение (выходная скорость медленнее, чем вращение электромагнитное поле Формула: число оборотов в минуту = частота * 60 / пары полюсов на фазу - скольжение по скорости).

В синхронном двигателе имеется катушка статора с увеличенным переменным током (как у обычного асинхронного двигателя), но также имеется ротор с увеличенным постоянным током (в отличие от асинхронного двигателя). Благодаря этому выходная скорость может достигать теоретической максимальной скорости (солнечной скорости), что делает предсказуемый и эффективный двигатель для использования в транспортных средствах. (Формула: обороты в минуту = частота * 60 / пары полюсов на фазу).

Затем Tesla может использовать это и использовать ESC (Electronic Speed ​​Controller). ESC - это печатная плата, которая преобразует часть энергии постоянного тока от батареи в энергию переменного тока, изменяет прямоугольные волны на синусоидальные, изменяет частоту и амплитуду в соответствии с сигналами от педали газа и отправляет обработанную мощность к статору. Это также изменяет амплитуду мощности постоянного тока для ротора в соответствии с мощностью переменного тока для статора.