Почему автомобиль Tesla использует двигатель переменного тока вместо DC?

Я просто смотрел мега-заводское видео и задавался вопросом, почему они используют двигатель переменного тока, который требует вместо инвертора питания вместо постоянного тока, который может питаться от батареи постоянного тока? Введение инвертора означает большую стоимость (вес, контроллер и т. Д.).

Есть ли причины для этого? В чем разница между двигателем переменного тока и постоянного тока, который может привести к этому решению? Также кто-нибудь знает, какой двигатель используется в других электромобилях?

72 голоса | спросил wizzup 17 FebruaryEurope/MoscowbSun, 17 Feb 2013 08:36:29 +0400000000amSun, 17 Feb 2013 08:36:29 +040013 2013, 08:36:29

10 ответов


102

Вы спрашиваете о технических компромиссах, связанных с выбором тягового двигателя для применения в электромобиле. Описывать полное дизайнерское пространство намного превосходит то, что можно разумно обобщить здесь, но я расскажу о выдающихся компрометациях проекта для такого приложения.

Поскольку количество энергии, которое может быть сохранено химически (т. е. в батарее), довольно ограничено, почти все электромобили сконструированы с учетом эффективности. Большинство транзисторных тяговых двигателей для автомобильных применений колеблются от 60 кВт до 300 кВт. Закон Ом указывает, что потери мощности в кабелях, обмотках двигателей и межсоединениях аккумуляторных батарей составляют P = I 2 R. Таким образом, уменьшение тока пополам снижает резистивные потери на 4 раза. В результате большинство автомобильных приложений работают при номинальном напряжении промежуточного контура между 288 и 360 В nom (есть и другие причины для этого выбора напряжения, но давайте сосредоточимся на потерях). В этом обсуждении актуальным является напряжение питания, так как некоторые двигатели, такие как Brush DC, имеют практические верхние пределы напряжения питания из-за дуги коммутации.

Игнорируя более экзотические двигательные технологии, такие как переключаемое /переменное сопротивление, существуют три основные категории электродвигателей, используемых в автомобильных приложениях:

Двигатель щетки постоянного тока : механически коммутируется, для управления крутящим моментом требуется только простой DC-чоппер. В то время как двигатели постоянного тока Brush могут иметь постоянные магниты, размер магнитов для тяговых применений делает их чрезвычайно дорогими. В результате большинство тяговых двигателей постоянного тока подвергаются последовательной или шунтирующей ране. В такой конфигурации имеются обмотки как на статоре, так и на роторе.

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC): электронно коммутируется инвертором, постоянными магнитами на роторе, обмотками на статоре.

Асинхронный двигатель : электронно коммутируется инвертором, индукционным ротором, обмотками на статоре.

Ниже приведены некоторые резкие обобщения в отношении компромиссов между тремя двигательными технологиями. Существует множество примеров, которые будут игнорировать эти параметры; моя цель состоит только в том, чтобы поделиться тем, что я бы назвал номинальными значениями для этого типа приложений.

- Эффективность:
Кисть DC: Двигатель: ~ 80%, контроллер постоянного тока: ~ 94% (пассивный обратный ход), NET = 75%
BLDC: ~ 93%, инвертор: ~ 97% (синхронное обратное или гистерезисное управление), NET = 90%
Индукция: ~ 91%: инвертор: 97% (синхронное обратное или гистерезисное управление), NET = 88%

- Износ /Сервис:
Кисть DC: Щетки, подлежащие износу; требуют периодической замены. Подшипники.
BLDC: Подшипники (срок службы)
Индукция: Подшипники (срок службы)

- Конкретная стоимость (стоимость на кВт), включая инвертор
Кисть DC: Низкий двигатель и контроллер, как правило, недороги
BLDC: Высокомощные постоянные магниты очень дороги
Индукция: Умеренные - инверторы добавляют стоимость, но двигатель дешев

- Отклонение тепла
Кисть DC: Обмотки на роторе делают теплоотвод из обоих роторов и коммутаторов сложным с мощными двигателями.
BLDC : Обмотки на статоре делают отказ тепла простым. Магниты на роторе имеют маломощный нагрев с вихревым током
Индукция: Обмотки на статоре делают прямое отторжение тепла статора. Индуцированные токи в роторе могут нуждаться в масляном охлаждении в приложениях с высокой мощностью (в и из вала, не разбрызгиваясь).

- Крутящий момент /скорость
Кисть DC: Теоретически бесконечный крутящий момент с нулевой скоростью крутящий момент падает с увеличением скорости. Для автомобильных применений в автомобилях Brush DC обычно требуется 3-4 передаточных числа, чтобы охватить весь автомобильный диапазон класса и максимальной скорости. В течение нескольких лет я приводил в движение 24 кВт DC с электроприводом, что могло бы ослабить шины из-за покоя (но изо всех сил пытались добраться до 65 миль в час).
BLDC: Постоянный крутящий момент до базы скорость, постоянная мощность до максимальной скорости.

Индукция: Постоянный крутящий момент до базовой скорости, постоянная мощность до максимальной скорости. Автомобильные приложения жизнеспособны с коробкой передач с одним соотношением. Может занять сотни мс за крутящий момент для сборки после применения текущего

- Разное:
Кисть DC: При высоких напряжениях дуги коммутатора могут быть проблематичными. Электродвигатели постоянного тока для щеток канонически используются в приложениях для тележки для гольфа и вилочных погрузчиков (24 В или 48 В), хотя новые модели являются индукционными из-за повышения эффективности. Рекордное торможение является сложным и требует более сложного регулятора скорости.
BLDC: Проблемы с магнитом и сборкой (магниты ОЧЕНЬ мощные) делают двигатели BLDC жизнеспособными для приложений с меньшей мощностью (например, два двигателя Prius /генераторы). Резервное торможение происходит в основном для
Индукция: Двигатель относительно дешев, и силовая электроника для автомобильных приложений значительно снизилась за последние 20 лет. Резервное торможение происходит практически бесплатно.

Опять же, это только очень краткий обзор некоторых из основных драйверов проектирования для выбора двигателя. Я намеренно опустил определенную мощность и определенный крутящий момент, так как они имеют тенденцию к значительному изменению с фактической реализацией.

ответил HikeOnPast 17 FebruaryEurope/MoscowbSun, 17 Feb 2013 10:01:07 +0400000000amSun, 17 Feb 2013 10:01:07 +040013 2013, 10:01:07
40

... и теперь почему Tesla использует асинхронные двигатели

Другие ответы превосходны и по техническим причинам. Следуя за Теслой и рынком EV в целом в течение многих лет, я бы хотел ответить на ваш вопрос, почему Tesla использует асинхронные двигатели.

Фон

Элон Муск (соучредитель Теслы) исходит из мысли Силиконовой долины (SV), где «двигаться быстро и нарушать вещи» - это мантра. Когда он выложил деньги из PayPal на несколько сотен миллионов, он решил заняться (космическими исследованиями и) электромобилями. В SV-land время /скорость, чтобы добиться успеха, - все, поэтому он поглядел вокруг, чтобы найти что-то, что он мог бы использовать в качестве отправной точки, чтобы начать прыжок.

JB Straubel был похожим на инженера (как космического, так и EV), который обратился к Musk вскоре после того, как Муск заинтересовался космосом и публикой EV.

Во время своей первой встречи на обед Штраубель упомянул компанию под названием AC Propulsion , которая разработала прототип электрического спортивного автомобиля используя раму комплекта автомобиля. Уже во втором поколении он недавно переключился на использование литиево-ионных батарей, имел диапазон 250 миль, предлагал большой крутящий момент, мог идти 0-60 менее чем за 4 секунды, но, в первую очередь, к этой дискуссии, - вы догадались - AC Propulsion (асинхронный двигатель).

Мускус посетил AC Propulsion и ушел очень впечатлен. Он попытался в течение нескольких месяцев убедить AC Propulsion в коммерциализации электромобиля, но в то время они не интересовались этим.

Том Гейдж, президент AC Propulsion, предположил, что Муск объединяет усилия с другим женихом, состоящим из Мартина Эберхарда, Марка Тарпеннинга и Яна Райта. Они согласились объединить свои усилия, когда Муск стал председателем и генеральным директором по дизайну продукции, Эберхард стал генеральным директором, а Штраубель стал техническим директором новой компании, которую они назвали «Tesla Motors».

Ответ

Итак, у вас есть это, Тесла использует индукцию главным образом потому, что первый жизнеспособный прототип, который видел Мускус, использовал его. Инерция (не каламбур ... хорошо, немного) объясняет остальное («Если он не сломался ...»).

Теперь, почему AC Propulsion использовал его в своем прототипе Tzero, см. другие ответы ...; -)

Если вам нужна полная версия здесь или здесь .

ответил DrFriedParts 17 FebruaryEurope/MoscowbSun, 17 Feb 2013 23:36:01 +0400000000pmSun, 17 Feb 2013 23:36:01 +040013 2013, 23:36:01
23

Трудно сказать, какие точные причины инженеров были не в команде дизайнеров, но вот несколько мыслей:

  1. Оба двигателя нуждаются в подобных приводах. Мощенные двигатели постоянного тока могут работать непосредственно от батареи, но тип двигателя, на который вы смотрите в электромобиле, - бесщеточный двигатель постоянного тока. Приводы для асинхронного двигателя и бесщеточный двигатель постоянного тока очень похожи. Управление асинхронным двигателем, вероятно, более сложное в целом.

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

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

  4. Пиковая эффективность бесщеточного обычно выше, чем асинхронные двигатели, но я считаю, что где-то я читал, что Тесла получает более высокую среднюю эффективность с помощью своего асинхронного двигателя, чем с бесщеточным. К сожалению, я не могу вспомнить, где я это читал.

  5. Многие люди сейчас исследуют коммутируемые машины с сопротивлением. Последние несколько моторных конференций, на которых я должен был быть, были связаны с переключением нежелания. Они не требуют магнитов, и эффективность этих типов двигателей выглядит многообещающей. Everybody хочет уйти от магнитов в двигателях.

Итак, как я уже сказал, я сомневаюсь, что кто-нибудь может ответить на ваш вопрос, кроме инженеров в Тесле. Но я полагаю, что это, вероятно, имеет какое-то отношение к моей точке 4), но я этого не знаю точно. Я уверен, что волатильность цен на магниты тоже имеет к этому отношение.

ответил Eric 17 FebruaryEurope/MoscowbSun, 17 Feb 2013 09:20:18 +0400000000amSun, 17 Feb 2013 09:20:18 +040013 2013, 09:20:18
6

Ответ исходит от сотрудников персонала Tesla непосредственно по статье Индукция против бесщеточных двигателей DC

Эта часть особенно примечательна:

  

В идеальном бесщеточном приводе сила магнитного поля   произведенные постоянными магнитами, будут регулироваться. Когда максимум   требуется крутящий момент, особенно при малых скоростях, магнитное поле   прочность (B) должна быть максимальной - так, чтобы инверторные и двигательные токи   поддерживаются с наименьшими возможными значениями. Это минимизирует I²   R (сопротивление по току ¾) и тем самым оптимизирует эффективность.   Аналогично, когда уровни крутящего момента низки, поле B должно быть уменьшено   так что уменьшаются потери на вихревые и гистерезисы из-за В.   В идеальном случае B следует настроить таким образом, чтобы сумма вихревых,   гистерезис и потери I² минимизированы. К сожалению, нет   простой способ изменения B с постоянными магнитами.

     

Напротив, индукционные машины не имеют магнитов, а поля B -   «регулируется», так как B пропорционален V /f (напряжение до частоты).   Это означает, что при малых нагрузках инвертор может уменьшить напряжение, такое как   что магнитные потери уменьшаются, а эффективность максимизируется. Таким образом,   индукционная машина при работе с интеллектуальным инвертором имеет   преимущество над бесщеточной машиной постоянного тока - магнитные и потери на проводимость   могут быть обменены таким образом, чтобы эффективность была оптимизирована. Это преимущество   становится все более важным, поскольку производительность увеличивается. С DC   бесщеточный, по мере увеличения размера машины, магнитные потери увеличиваются   эффективность пропорционально снижается. С индукцией, как   размер машины растет, потери не обязательно растут. Таким образом, индукция   Приводы могут быть предпочтительным, когда требуется высокая производительность;   максимальный КПД будет немного меньше, чем при использовании бесщеточного постоянного тока, но   средняя эффективность может быть лучше.

     

Постоянные магниты стоят дорого - примерно 50 долларов за килограмм.   Роторы постоянных магнитов (PM) также трудно обрабатывать из-за очень   большие силы, которые вступают в игру, когда что-либо ферромагнитное становится   рядом с ними. Это означает, что асинхронные двигатели, вероятно,   преимущество перед машинами PM. Кроме того, из-за ослабления поля   возможности индукционных машин, рейтинги и затраты на инвертор   чтобы быть ниже, особенно для высокопроизводительных приводов. Поскольку спиннинг   индукционные машины производят мало или вообще не имеют напряжения при девозбуждении, они   легче защитить.

ответил sergiol 13 FebruaryEurope/MoscowbFri, 13 Feb 2015 02:06:15 +0300000000amFri, 13 Feb 2015 02:06:15 +030015 2015, 02:06:15
5

ВСЕ вращающиеся электродвигатели являются двигателями переменного тока. Каждый из них.
Кроме того, в глубине души они по сути делают то же самое. Разница заключается в том, как DC превращается в AC и как он привык, чтобы затем получить стандартный результат.

Единственным двигателем, который является электронным источником постоянного тока, является двигатель щетки. DC преобразуется в переменный ток с помощью вращающегося коммутатора и фиксированных щеток. Помимо этого двигателя, все остальные нуждаются в конвертации постоянного тока в переменный. Мотор щетки, как правило, непривлекателен, потому что механический преобразователь переменного тока в переменный ток (коммутатор) является относительно дорогим и относительно коротким.

Таким образом, для Тесла или другого электромобиля выбор не является постоянным или переменным током, но какая форма двигателя переменного тока наилучшим образом соответствует проектам, и это экономически эффективно.

Тесла будет использовать то, что он делает, потому что он наилучшим образом отвечает целям дизайна.


Сводные прогнозы предполагают, что ряд людей согласен с Маркусом и думает, что вышеупомянутый ответ ничто. Небольшая мысль и взгляд на мои ответы в целом могут свидетельствовать о непонимании в части, связанной с downvoters.

Все роторные электродвигатели являются двигателями переменного тока

  • Если вы считаете, что этот момент является nitpicking, вам нужно больше думать о том, что делает электрический автомобиль в целом.

Посмотрим, есть ли у downvoters смелости прочитать следующее, а затем удалить их downvotes. Для меня это не имеет значения. В той мере, в какой вы вводите в заблуждение других людей, это имеет большое значение.

ВСЕ вращающиеся электродвигатели требуют, чтобы контроллер каким-то образом применял AC к двигателю.
Различие между двигателем переменного тока и двигателем постоянного тока полезно в некоторых контекстах, но в автомобиле, который является замкнутой системой, которая начинается с источника энергии постоянного тока и заканчивается вращающимся электродвигателем, различие является ложным и не полезно. Автомобиль - закрытая система. Где-то в системе есть контроллер, который преобразует DC в AC в той или иной форме. Неважно, монтируется ли он внутри ротора или ротора внутри корпуса двигателя, прикрепляется к корпусу или где-то еще в машине.

В маховом 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 преследование его хвостового переменного магнитного поля до обмотки в двигателе.

Статор с вращающимся ротором с постоянным магнитом «Бесщеточный двигатель постоянного тока» очень похож на функциональный двигатель с мотором постоянного тока, при этом коммутатор заменяется электронными переключателями и датчиками, которые принимают поставляемый DC и применяют его к различным полям, чтобы они могли преследовать их хвост по мере вращения ротора. Опять же, это двигатель переменного тока с контроллером. Просто спросите любую извилину. Датчики находятся в пределах двигателя, и переключатели могут находиться рядом с двигателем, соответствующим или дистанционным.

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

Можно было неохотно описать переменные вихретоковые двигатели - больше того же, но другого. Это двигатель переменного тока с контроллером, производящим его от постоянного тока.

Сделанное различие не имеет значения и тривиально. Реальный вопрос: «Почему Тесла использует эту конкретную форму двигателя, а не какую-то другую». То, что это не просто семантика, но недостаток понимания показан словом in

  • ... которые требуют мощности inveter, а не постоянного тока, который более прямое от батареи постоянного тока. Представление 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 щеткой. Они настолько неподходят к задаче легковесных приводов с переменной скоростью, что их будет мало, если они будут использоваться в современных электромобилях. Во всех других стилях электродвигателя, у которых нет инвертора, вместо инвертора будет какая-то электроника.


Я сказал, что ROTARY "Электродвигатели являются двигателями переменного тока, потому что можно, возможно, создать бесщеточный двигатель постоянного тока с линейным двигателем постоянного тока с переключением постоянного тока, хотя это приведет к неэффективному использованию меди и магнитов. Вы можете сделать это с помощью роторного двигателя, но никакой реальный мировой двигатель в объемном производстве не сделает этого.

ответил Russell McMahon 17 FebruaryEurope/MoscowbSun, 17 Feb 2013 10:19:19 +0400000000amSun, 17 Feb 2013 10:19:19 +040013 2013, 10:19:19
3

Двигатели постоянного тока не могут соответствовать плотности мощности машин Ac. Максимальная напряженность поля даже лучших магнитов может достигать 2,5 тесла в воздушном зазоре, и для этого требуется какая-то серьезная техника, 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. Они, очевидно, не делают это так эффективно, как машины постоянного тока, но кто сказал, что спортивные автомобили, где они эффективны? Кг для кг индукционной машины переменного тока является самым мощным из всех типов машин, когда контролируется покупка сложного инвертора и работа на высоких скоростях вращения.

ответил Darren 17 thEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowTue, 17 Sep 2013 16:01:03 +0400 2013, 16:01:03
3

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

  1. асинхронные двигатели дешевле
  2. асинхронные двигатели не нуждаются в большом количестве обслуживания (без щетки)
  3. асинхронные двигатели легче по весу
  4. появилась новая технология контроля скорости асинхронных двигателей (переменное напряжение, переменная частота) и легкая массовая продукция
ответил yakdan 24 MarpmMon, 24 Mar 2014 13:34:17 +04002014-03-24T13:34:17+04:0001 2014, 13:34:17
1

IMHO, AC Propulsion (Tesla Motors) использует AC, потому что механически коммутируемый двигатель постоянного тока, который соответствует высокому коэффициенту «отклонения» транспортного средства, является более сложным, чем электронно-коммутируемый двигатель переменного тока. Без такого высокого коэффициента пропорциональности физический размер двигателя, производящего только сырой крутящий момент, был бы непомерно высоким. Асинхронный двигатель, а не мотор ПМ, не только более устойчив к финансовым условиям, но и более устойчив с технической точки зрения. Магниты могут и могут быть повреждены. Поле электромагнита обматывает ротор, не так много и, как они показывают, плотность энергии аналогична.

Я принимаю большое исключение из очевидного консенсуса о том, что «Все электрические двигатели являются переменными», и я основываю свой аргумент на одном полюсном движении, а не на полном обороте двигателя.

В одном полюсном переходе единственное время AC действительно требуется, когда необходимо вызвать ток в паразитной обмотке, как в роторе асинхронных двигателей. В противном случае необходима только коммутация.

Этот аргумент лучше всего можно увидеть, наблюдая двигатель в стойле. Только двигатели без полей PM или раны, которые являются асинхронными двигателями, нуждаются в переменном токе для генерации тока поля, создающего реактивное магнитное поле.

Все остальные двигатели должны обеспечивать постоянный ток до статора, чтобы обеспечить полный крутящий момент при остановке. Двигатели с полевыми ранами часто используют переменный ток для генерации поля, но также отлично справляются с постоянным током, возможно, с еще большим крутящим моментом, чем при использовании переменного тока.

Мое «серво» моторы PM могут измельчать DC для управления мощностью, но они только измельчают DC, а не инвертируют его с каждой измельчителем. Поместите механический коммутатор серводвигателя переменного тока переменного тока, и он будет работать на постоянном токе. Правда, не так эффективно, но не из-за отсутствия синусоидальной формы волны. Он также будет ограничен с максимальной скоростью без механического кисти.

Проведите некоторое время, рассматривая свойства сваливания двигателя с удвоенной намоткой, очевидно, только двигатель переменного тока, когда он поставляется с DC, и, возможно, вы сможете понять мои аргументы. Только когда вы хотите нажимать каждый полюс в дополнение к потянув его, вам нужно предоставить AC, иначе DC - это все, что вам нужно, и часто все, что вы используете, даже если источник питания переменного тока.

шифера

ответил Slate 22 Mayam14 2014, 09:37:09
1

Все: Машинное оборудование ограничено, возможно, 48 В, чтобы избежать дуги. Напротив, бесщеточная машина может легко работать от батареи 240 В, при этом напряжение повышается до 480 В или выше с помощью преобразователя постоянного тока, расположенного между батареей и двигателем. При таком высоком напряжении, аналогичном используемому в большинстве современных гибридных или подключаемых автомобилей, потери управления скоростью сводятся к минимуму по отношению к общей передаваемой мощности, что способствует высокой эффективности.

ответил Phil Barns 24 J000000Thursday14 2014, 19:36:30
0

Собственно, Tesla использует синхронные электродвигатели, которые используют как переменные, так и DC. Если двигатель использовал только AC, это был бы асинхронный асинхронный двигатель, который является непредсказуемым двигателем для использования в транспортных средствах из-за скольжения в электромагнитном поле, когда напряжение индуцируется в роторе (скорость на выходе медленнее, чем вращение электромагнитное поле. Формула: обороты в минуту = частота * 60 /полюса на фазу - скорость скольжения.

В синхронном двигателе имеет увеличенную переменным током обмотку статора (как обычный асинхронный двигатель), но также имеет увеличенный постоянный ток ротора (в отличие от асинхронного двигателя). Таким образом, выходная скорость может достигать теоретической максимальной скорости (скорости вращения шунтирования), которая позволяет использовать предсказуемый и эффективный двигатель в транспортных средствах. (Формула: Революции в минуту = Частота * 60 /Полевые пары на фазу).

Затем Тесла может изучить это и использовать ESC (Electronic Speed ​​Controller). ESC - это монтажная плата, которая инвертирует часть мощности постоянного тока от батареи к сети переменного тока, меняет квадратные волны на синусоидальные волны, меняет частоту и амплитуду в соответствии с сигналами от педали газа и отправляет обрабатываемую мощность к статору. Он также изменяет амплитуду мощности постоянного тока на ротор в соответствии с мощностью переменного тока на статоре.

ответил Electrician student 8 J000000Tuesday14 2014, 23:49:17

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132