Machine électrique Nicola Tesla

Les moteurs électriques sont beaucoup plus efficaces que les moteurs à combustion interne. Pourquoi et quand

La vérité fondamentale est que les problèmes des véhicules électriques sont liés à la source d'énergie, mais ils peuvent être vus sous un angle différent. Comme beaucoup de choses dans la vie que nous tenons pour acquises, le moteur électrique et le système de commande des véhicules électriques sont considérés comme les dispositifs les plus efficaces et les plus fiables de ces véhicules. Cependant, pour parvenir à cet état de choses, ils ont parcouru un long chemin dans l'évolution - de la découverte du lien entre l'électricité et le magnétisme à sa transformation effective en une force mécanique. Ce sujet est souvent sous-estimé dans le contexte de parler du développement technologique du moteur à combustion interne, mais il devient de plus en plus nécessaire de parler davantage de la machine appelée moteur électrique.

Un ou deux moteurs

Si vous regardez le graphique des performances d'un moteur électrique, quel que soit son type, vous remarquerez qu'il est efficace à plus de 85 %, souvent à plus de 90 %, et qu'il est le plus efficace à environ 75 % de charge. maximum. À mesure que la puissance et la taille du moteur électrique augmentent, la plage d'efficacité s'élargit en conséquence, où elle peut atteindre son maximum encore plus tôt - parfois à 20 % de charge. Cependant, il y a un revers à la médaille - malgré la plage étendue de rendement supérieur, l'utilisation de moteurs très puissants à très faible charge peut à nouveau conduire à une entrée fréquente dans la zone de faible rendement. Par conséquent, les décisions concernant la taille, la puissance, le nombre (un ou deux) et l'utilisation (un ou deux selon la charge) des moteurs électriques sont des processus qui font partie du travail de conception dans la construction d'une voiture. Dans ce contexte, on comprend pourquoi il est préférable d'avoir deux moteurs au lieu d'un très puissant, notamment pour qu'il n'entre pas souvent dans des zones à faible rendement, et en raison de la possibilité de l'arrêter à faible charge. Par conséquent, à charge partielle, par exemple, dans la Tesla Model 3 Performance, seul le moteur arrière est utilisé. Dans les versions moins puissantes, c'est le seul, et dans les versions plus dynamiques, l'asynchrone est relié au train avant. C'est un autre avantage des véhicules électriques - la puissance peut être augmentée plus facilement, les modes sont utilisés en fonction des exigences d'efficacité et les deux groupes motopropulseurs sont un effet secondaire utile. Cependant, un rendement inférieur à faible charge n'empêche pas le fait que, contrairement à un moteur à combustion interne, un moteur électrique produit une poussée à vitesse nulle en raison de son principe de fonctionnement fondamentalement différent et de l'interaction entre les champs magnétiques même dans de telles conditions. Le fait d'efficacité mentionné ci-dessus est au cœur de la conception du moteur et des modes de fonctionnement - comme nous l'avons dit, un moteur surdimensionné fonctionnant en permanence à faible charge serait inefficace.

Avec le développement rapide de la mobilité électrique, la diversité en matière de production de moteurs s'élargit. De plus en plus d'accords et d'arrangements sont en cours d'élaboration, par lesquels certains constructeurs tels que BMW et VW conçoivent et fabriquent leurs propres voitures, d'autres achètent des actions dans des entreprises liées à cette activité et d'autres encore sous-traitent à des fournisseurs tels que Bosch. Dans la plupart des cas, si vous lisez les spécifications d'un modèle à alimentation électrique, vous constaterez que son moteur est "AC synchrone à aimants permanents". Cependant, le pionnier de Tesla utilise d'autres solutions dans ce sens - des moteurs asynchrones dans tous les modèles précédents et une combinaison d'asynchrones et de soi-disant. "Moteur à commutation de résistance comme entraînement de l'essieu arrière dans le modèle 3 Performance. Dans les versions moins chères à propulsion uniquement, c'est le seul. Audi utilise également des moteurs à induction pour le modèle q-tron et une combinaison de moteurs synchrones et asynchrones pour le prochain e-tron Q4. De quoi s'agit-il vraiment?

Machine électrique Nicola Tesla

Le fait que Nikola Tesla ait inventé le moteur électrique asynchrone ou, en d'autres termes, le moteur électrique "asynchrone" (à la fin du XIXe siècle) n'a aucun lien direct avec le fait que les modèles Tesla Motors sont l'une des rares voitures propulsées par une telle machine. ... En fait, le principe de fonctionnement du moteur Tesla est devenu plus populaire dans les années 19, lorsque les dispositifs à semi-conducteurs ont progressivement fait leur apparition sous le soleil, et l'ingénieur américain Alan Coconi a développé des onduleurs portables à semi-conducteurs capables de convertir les batteries à courant continu (CC) en courant alternatif (AC ) comme requis pour un moteur à induction, et vice versa (en cours de récupération). Cette combinaison d'un onduleur (également connu sous le nom de transverter d'ingénierie) et d'un moteur électrique développé par Coconi est devenue la base du tristement célèbre GM EV60 et, sous une forme plus raffinée, du sportif tZERO. Par analogie avec la recherche des ingénieurs japonais de Toyota lors de la création de la Prius et la découverte du brevet TRW, les créateurs de Tesla ont découvert la voiture tZERO. Finalement, ils ont acheté une licence tZero et l'ont utilisée pour construire un roadster.
Le plus grand avantage d'un moteur à induction est qu'il n'utilise pas d'aimants permanents et qu'il n'a pas besoin de métaux coûteux ou rares, qui sont également souvent extraits dans des conditions qui créent des dilemmes moraux pour les consommateurs. Cependant, les moteurs synchrones asynchrones et à aimants permanents tirent pleinement parti des avancées technologiques dans les dispositifs à semi-conducteurs, ainsi que dans la création de MOSFET avec un transistor à effet de champ et, plus tard, des transistors à isolation bipolaire (IGBT). C'est ce progrès qui nous permet de créer les dispositifs onduleurs compacts mentionnés et, en général, toute l'électronique de puissance dans les véhicules électriques. Le fait que la capacité de convertir efficacement les batteries CC en variables triphasées et vice versa soit largement dû aux progrès de la technologie de contrôle peut sembler trivial, mais il convient de garder à l'esprit que le courant dans l'électronique de puissance atteint des niveaux beaucoup plus élevés que d'habitude dans les ménages. réseau électrique, et les valeurs dépassent souvent 150 ampères. Cela génère une grande quantité de chaleur que l'électronique de puissance doit gérer.

Mais revenons à la question des moteurs électriques. Comme les moteurs à combustion interne, ils peuvent être divisés en divers paramètres de qualification, et la «synchronisation» en fait partie. En fait, c'est la conséquence d'une autre approche constructive beaucoup plus importante en termes de génération et d'interaction de champs magnétiques. Malgré le fait que la source d'électricité face à la batterie soit du courant continu, les concepteurs de systèmes électriques ne pensent même pas à utiliser des moteurs à courant continu. Même en tenant compte des pertes de conversion, les unités AC et en particulier les unités synchrones gagnent en concurrence avec les éléments DC. Que signifie vraiment un moteur synchrone ou asynchrone?

Auto Motor Company

Les moteurs synchrones et asynchrones appartiennent au type de machines électriques à champ magnétique tournant, qui ont une densité de puissance plus élevée. En général, un rotor asynchrone est constitué d'un simple paquet de tôles solides, de tiges métalliques en aluminium ou en cuivre (de plus en plus souvent utilisées récemment) avec des bobines en boucle fermée. Le courant circule dans les enroulements du stator en paires opposées, et le courant de l'une des trois phases circule dans chaque paire. Étant donné que dans chacun d'eux, il est déphasé de 120 degrés par rapport à l'autre, le champ magnétique dit rotatif. L'intersection des enroulements du rotor avec les lignes de champ magnétique du champ créé par le stator conduit à la circulation du courant dans le rotor, similaire à l'interaction sur le transformateur.
Le champ magnétique résultant interagit avec la "rotation" dans le stator, ce qui entraîne une capture mécanique du rotor et une rotation ultérieure. Cependant, avec ce type de moteur électrique, le rotor est toujours en retard par rapport au champ, car s'il n'y a pas de mouvement relatif entre le champ et le rotor, le champ magnétique ne sera pas induit dans le rotor. Ainsi, le niveau de vitesse maximum est déterminé par la fréquence du courant d'alimentation et la charge. Cependant, en raison de l'efficacité plus élevée des moteurs synchrones, la plupart des fabricants y adhèrent, mais pour certaines des raisons ci-dessus, Tesla reste un partisan de l'asynchrone.

Oui, ces machines sont moins chères, mais elles ont leurs inconvénients, et toutes les personnes qui ont testé plusieurs accélérations successives avec la Model S vous diront à quel point les performances chutent drastiquement à chaque itération. Les processus d'induction et la circulation du courant entraînent un échauffement, et lorsque la machine n'est pas refroidie sous une charge élevée, la chaleur s'accumule et ses capacités sont considérablement réduites. Pour des raisons de protection, l'électronique réduit la quantité de courant et les performances d'accélération sont dégradées. Et encore une chose - pour être utilisé comme générateur, le moteur à induction doit être magnétisé - c'est-à-dire "passer" le courant initial à travers le stator, qui génère le champ et le courant dans le rotor pour démarrer le processus. Il peut alors se nourrir.

Moteurs asynchrones ou synchrones

Les blocs synchrones ont une efficacité et une densité de puissance significativement plus élevées. Une différence significative entre un moteur à induction est que le champ magnétique dans le rotor n'est pas induit par l'interaction avec le stator, mais est le résultat du courant traversant les enroulements supplémentaires installés dans celui-ci, ou les aimants permanents. Ainsi, le champ dans le rotor et le champ dans le stator sont synchrones, mais la vitesse maximale du moteur dépend également de la rotation du champ, respectivement, de la fréquence et de la charge actuelles. Afin d'éviter la nécessité d'une alimentation électrique supplémentaire aux enroulements, ce qui augmente la consommation d'énergie et complique le contrôle du courant, les véhicules électriques modernes et les modèles hybrides utilisent des moteurs électriques avec une excitation dite constante, c'est-à-dire avec des aimants permanents. Comme déjà mentionné, presque tous les constructeurs de telles voitures utilisent actuellement des unités de ce type.Par conséquent, selon de nombreux experts, il y aura toujours un problème avec un manque d'éléments coûteux en terres rares, le néodyme et le dysprosium. La réduction de leur utilisation fait partie de la demande des ingénieurs dans ce domaine.

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La conception du noyau du rotor offre le plus grand potentiel pour augmenter les performances d'une machine électrique.
Il existe différentes solutions technologiques avec des aimants montés en surface, un rotor en forme de disque, avec des aimants intégrés à l'intérieur. La solution de Tesla est intéressante ici, qui utilise la technologie susmentionnée appelée moteur à réluctance commutée pour entraîner l'essieu arrière du modèle 3. "Réluctance", ou résistance magnétique, est un terme opposé à la conductivité magnétique, similaire à la résistance électrique et à la conductivité électrique des matériaux. Les moteurs de ce type utilisent le phénomène selon lequel le flux magnétique a tendance à traverser la partie du matériau présentant la moindre résistance magnétique. De ce fait, il déplace physiquement la matière qu'il traverse pour traverser la pièce avec le moins de résistance. Cet effet est utilisé dans un moteur électrique pour créer un mouvement de rotation - pour cela, des matériaux de résistance magnétique différente alternent dans le rotor : durs (sous forme de disques de ferrite néodyme) et mous (disques d'acier). Dans une tentative de traverser un matériau à faible résistance, le flux magnétique du stator fait tourner le rotor jusqu'à ce qu'il soit positionné pour le faire. Avec le contrôle du courant, le champ fait constamment tourner le rotor dans une position confortable. C'est-à-dire que la rotation n'est pas initiée dans une telle mesure par l'interaction des champs magnétiques que la tendance du champ à traverser le matériau avec la moindre résistance et l'effet résultant de la rotation du rotor. En alternant différents matériaux, le nombre de composants coûteux est réduit.

Selon la conception, la courbe d'efficacité et le couple changent avec la vitesse du moteur. Initialement, le moteur à induction a le rendement le plus faible et le plus élevé a des aimants de surface, mais dans ce dernier, il diminue fortement avec la vitesse. Le moteur de la BMW i3 a un caractère hybride unique, grâce à une conception qui combine des aimants permanents et l'effet "réticence" décrit ci-dessus. Ainsi, le moteur électrique atteint les niveaux élevés de puissance et de couple constants caractéristiques des machines à rotor excité électriquement, mais a un poids nettement inférieur à ceux-ci (ces derniers sont efficaces à bien des égards, mais pas en termes de poids). Après tout cela, il est clair que l'efficacité diminue à haute vitesse, c'est pourquoi de plus en plus de fabricants disent qu'ils vont se concentrer sur les transmissions à deux vitesses pour les moteurs électriques.

Questions et réponses

Quels moteurs Tesla utilise-t-il ? Tous les modèles Tesla sont des véhicules électriques, ils sont donc équipés exclusivement de moteurs électriques. Presque tous les modèles auront un moteur à induction triphasé sous le capot.

Comment fonctionne un moteur Tesla ? Un moteur électrique asynchrone fonctionne en raison de l'apparition d'une CEM due à la rotation dans un stator stationnaire d'un champ magnétique. La marche arrière est assurée par l'inversion de polarité sur les bobines de démarrage.

Où se trouve le moteur Tesla ? Les voitures Tesla sont à propulsion. Par conséquent, le moteur est situé entre les arbres d'essieu arrière. Le moteur se compose d'un rotor et d'un stator, qui ne se touchent que via des roulements.

Combien pèse un moteur Tesla ? Le poids du moteur électrique assemblé pour les modèles Tesla est de 240 kilogrammes. Fondamentalement, une modification du moteur est utilisée.