Perché un'auto Tesla utilizza un motore a corrente alternata anziché uno a corrente continua?

Stavo solo guardando un mega video di fabbrica e mi chiedevo perché usano un motore a corrente alternata che richiede un inverter di potenza invece di CC che può essere alimentato direttamente dalla loro batteria CC? L'introduzione di un inverter comporta un costo maggiore (peso, controller, ecc.).

Ci sono delle ragioni per questo? Quali sono le differenze tra un motore CA e CC che possono aver portato a questa decisione? Qualcuno sa anche che tipo di motore viene utilizzato in altre auto elettriche?

Stai chiedendo informazioni sui compromessi tecnici relativi alla selezione di un motore di trazione per un'applicazione per veicoli elettrici. Descrivere l'intero spazio commerciale del design è molto al di là di ciò che può ragionevolmente essere riassunto qui, ma illustrerò gli importanti compromessi del design per tale applicazione.

Poiché la quantità di energia che può essere immagazzinata chimicamente (cioè in una batteria) è piuttosto limitata, quasi tutti i veicoli elettrici sono progettati tenendo conto dell'efficienza. La maggior parte dei motori di trazione per applicazioni di transito per applicazioni automobilistiche varia tra 60kW e 300kW di potenza di picco. La legge di Ohm indica che le perdite di potenza nel cablaggio, negli avvolgimenti del motore e nelle interconnessioni della batteria sono P = I ² R. Riducendo così la corrente della metà si riducono le perdite resistive di 4x. Di conseguenza, la maggior parte delle applicazioni automobilistiche funziona con una tensione nominale del circuito intermedio compresa tra 288 e 360 ​​V _nom (ci sono anche altri motivi per questa selezione di tensione, ma concentriamoci sulle perdite). La tensione di alimentazione è rilevante in questa discussione, poiché alcuni motori, come Brush DC, hanno limiti massimi pratici sulla tensione di alimentazione a causa dell'arco del commutatore.

Ignorando tecnologie di motori più esotici come la riluttanza commutata / variabile, ci sono tre categorie principali di motori elettrici utilizzati nelle applicazioni automobilistiche:

Spazzola motore DC : commutata meccanicamente, per controllare la coppia è necessario solo un semplice "chopper" DC. Mentre i motori Brush DC possono avere magneti permanenti, la dimensione dei magneti per le applicazioni di trazione li rende proibitivi. Di conseguenza, la maggior parte dei motori di trazione DC sono avvolti in serie o shunt. In una tale configurazione, ci sono avvolgimenti sia sullo statore che sul rotore.

Motore DC senza spazzole (BLDC): commutato elettronicamente da inverter, magneti permanenti sul rotore, avvolgimenti sullo statore.

Motore a induzione : commutato elettronicamente da inverter, rotore a induzione, avvolgimenti su statore.

Di seguito sono riportate alcune generalizzazioni sfacciate riguardanti i compromessi tra le tre tecnologie motorie. Ci sono molti esempi di punti che sfideranno questi parametri; il mio obiettivo è solo quello di condividere ciò che considererei valori nominali per questo tipo di applicazione.

- Efficienza:
DC pennello: motore: ~ 80%, controller DC: ~ 94% (flyback passivo), NET = 75%
BLDC: ~ 93%, inverter: ~ 97% (flyback sincrono o controllo isteretico), NET = 90%
Induzione: ~ 91%: inverter: 97% (flyback sincrono o controllo isteretico), NET = 88%

- Usura / manutenzione:
spazzola DC: spazzole soggette ad usura; richiede una sostituzione periodica. Cuscinetti.
BLDC: Cuscinetti (a vita)
Induzione: Cuscinetti (a vita)

- Costo specifico (costo per kW), incluso inverter
DC spazzola: basso - motore e controller sono generalmente
BLDC poco costosi : i magneti permanenti ad alta potenza sono molto costosi
Induzione: moderata - gli inverter aggiungono costi, ma il motore è economico

-
Spazzola DC a rifiuto di calore : gli avvolgimenti sul rotore rendono difficile la rimozione del calore sia dal rotore che dal commutatore con motori ad alta potenza.
BLDC: gli avvolgimenti sullo statore rendono semplice il rifiuto del calore. I magneti sul rotore hanno un riscaldamento indotto da correnti parassite a bassa moderazione
Induzione: gli avvolgimenti sullo statore rendono semplice il rifiuto del calore dello statore. Le correnti indotte nel rotore possono richiedere il raffreddamento dell'olio in applicazioni ad alta potenza (dentro e fuori attraverso l'albero, non schizzate).

- Comportamento coppia / velocità
Brush DC: coppia teoricamente infinita a velocità zero, la coppia diminuisce all'aumentare della velocità. Le applicazioni automobilistiche DC Brush richiedono generalmente 3-4 rapporti per coprire l'intera gamma automobilistica di qualità e velocità massima. Ho guidato un EV a motore a corrente continua da 24kW per un certo numero di anni che potrebbe illuminare le gomme da fermo (ma ho lottato per arrivare a 65 MPH).
BLDC: coppia costante fino alla velocità di base, potenza costante fino alla velocità massima. Le applicazioni automobilistiche sono praticabili con un cambio a rapporto singolo.
Induzione: coppia costante fino alla velocità di base, potenza costante fino alla velocità massima. Le applicazioni automobilistiche sono praticabili con un cambio a rapporto singolo. Possono essere necessarie centinaia di ms per la generazione della coppia dopo l'applicazione della corrente

- Varie:
DC spazzola: ad alte tensioni, l'arco del commutatore può essere problematico. I motori DC Brush sono utilizzati canonicamente nelle applicazioni per carrelli da golf e carrelli elevatori (24 V o 48 V), sebbene i modelli più recenti siano a induzione a causa di una maggiore efficienza. La frenata rigenerativa è complicata e richiede un regolatore di velocità più complesso.
BLDC: i costi dei magneti e le sfide di assemblaggio (i magneti sono MOLTO potenti) rendono i motori BLDC utilizzabili per applicazioni a bassa potenza (come i due motori / generatori Prius). La frenata rigenerativa è essenzialmente gratuita.
Induzione: il motore è relativamente economico da produrre e l'elettronica di potenza per le applicazioni automobilistiche ha registrato un notevole calo di prezzo negli ultimi 20 anni. La frenata rigenerativa è essenzialmente gratuita.

Ancora una volta, questo è solo un riassunto di altissimo livello di alcuni dei principali driver di progettazione per la selezione del motore. Ho omesso intenzionalmente potenza specifica e coppia specifica, poiché quelle tendono a variare molto di più con l'implementazione effettiva.

... e ora perché Tesla utilizza motori a induzione

Le altre risposte sono eccellenti e arrivano ai motivi tecnici. Dopo aver seguito Tesla e il mercato dei veicoli elettrici in generale per molti anni, mi piacerebbe davvero rispondere alla tua domanda sul perché Tesla utilizza motori a induzione.

sfondo

Elon Musk (cofondatore di Tesla) viene dal pensiero della Silicon Valley (SV), dove "muovere velocemente e rompere le cose" è il mantra. Quando ha incassato PayPal per diverse centinaia di milioni, ha deciso di affrontare (esplorazione dello spazio e) veicoli elettrici. In SV-land, il tempo / la velocità per fare le cose è tutto, quindi si è guardato intorno per trovare qualcosa che potesse usare come punto di partenza per iniziare.

JB Straubel era un ingegnere simile (sia spaziale che EV) che ha contattato Musk poco dopo che Musk ha reso pubblico il suo interesse per lo spazio e l'EV.

Durante il loro primo pranzo, Straubel menzionò una società chiamata AC Propulsion che aveva sviluppato un prototipo di auto sportiva elettrica usando un telaio per kit. Già alla sua seconda generazione, era passato di recente all'utilizzo di batterie agli ioni di litio, aveva un'autonomia di 250 miglia, offriva molta coppia, poteva andare 0-60 in meno di 4 secondi, ma, per la maggior parte germano di questa discussione, ha usato - - hai indovinato - Propulsione AC (motore a induzione).

Musk ha visitato AC Propulsion e ne è rimasto molto colpito. Provò per alcuni mesi a convincere la Propulsione AC a commercializzare il veicolo elettrico, ma a quel tempo non avevano interesse a farlo.

Tom Gage, presidente di AC Propulsion, ha suggerito a Musk di unire le forze con un altro pretendente composto da Martin Eberhard, Marc Tarpenning e Ian Wright. Hanno concordato di unire i loro sforzi, con Musk che diventa presidente e capo generale della progettazione del prodotto, Eberhard che diventa CEO e Straubel che diventa CTO della nuova società che hanno chiamato "Tesla Motors".

La risposta

Quindi il gioco è fatto, Tesla usa l'induzione principalmente perché il primo prototipo praticabile che Musk vide usarlo. L'inerzia (nessun gioco di parole inteso ... ok, un po ') spiega il resto ("Se non è rotto ...").

Ora perché AC Propulsion l'ha usato nel loro prototipo Tzero, vedi le altre risposte ... ;-)

Se vuoi la storia completa, vai qui o qui .

È difficile dire quali fossero le ragioni esatte degli ingegneri senza far parte del team di progettazione, ma ecco alcuni pensieri:

1. Entrambi i motori richiedono azionamenti simili. I motori CC spazzolati possono funzionare direttamente da una batteria, ma il tipo di motore che si sta guardando in un veicolo elettrico è un motore CC senza spazzole. Gli azionamenti per un motore a induzione e un motore DC senza spazzole sono molto simili. Il controllo di un motore a induzione è probabilmente più complesso in generale.

2. I motori DC brushless hanno magneti nel rotore. Questo è più costoso di un rotore a induzione con rame. Inoltre, il mercato dei magneti è molto volatile. D'altra parte, un motore a induzione produrrà molto più calore prodotto nel rotore a causa delle perdite di I²R e delle perdite del nucleo.

3. La coppia di spunto sul motore brushless è generalmente superiore a quella dei motori a induzione.

4. L'efficienza di picco dei brushless è generalmente superiore ai motori a induzione, ma credo di aver letto da qualche parte che Tesla ottiene un'efficienza media più elevata con il loro motore a induzione rispetto a quella con un brushless. Purtroppo, però, non ricordo dove l'ho letto.

5. Molte persone stanno attualmente ricercando macchine a riluttanza commutata. Le ultime conferenze motoristiche in cui sono stato sono state tutte incentrate sulla riluttanza. Non richiedono magneti e l'efficienza su questi tipi di motori sembra promettente. Tutti vogliono allontanarsi dai magneti nei motori.

Quindi, come ho detto, dubito che chiunque possa rispondere alla tua domanda, tranne gli ingegneri di Tesla. Ma la mia ipotesi migliore è che probabilmente ha qualcosa a che fare con il mio punto 4), ma non lo so per certo. Sono sicuro che anche la volatilità dei prezzi dei magneti ha qualcosa a che fare con questo.

La risposta arriva dallo stesso personale Tesla sull'articolo Induction Versus DC Brushless Motors

Questa parte è particolarmente notevole:

In un azionamento brushless ideale, l'intensità del campo magnetico prodotto dai magneti permanenti sarebbe regolabile. Quando è richiesta la coppia massima, specialmente alle basse velocità, l'intensità del campo magnetico (B) deve essere massima, in modo che le correnti dell'inverter e del motore siano mantenute ai valori più bassi possibili. Questo riduce al minimo le perdite di I² R (resistenza attuale²) e quindi ottimizza l'efficienza. Allo stesso modo, quando i livelli di coppia sono bassi, il campo B dovrebbe essere ridotto in modo tale da ridurre anche le perdite parassite e di isteresi dovute a B. Idealmente, B dovrebbe essere regolato in modo tale da ridurre al minimo la somma delle perdite parassite, isteresi e I². Sfortunatamente, non esiste un modo semplice per cambiare B con magneti permanenti.

Al contrario, le macchine a induzione non hanno magneti e i campi B sono "regolabili", poiché B è proporzionato a V / f (tensione a frequenza). Ciò significa che a carichi leggeri l'inverter può ridurre la tensione in modo da ridurre le perdite magnetiche e massimizzare l'efficienza. Pertanto, la macchina a induzione quando utilizzata con un inverter intelligente presenta un vantaggio rispetto a una macchina senza spazzole CC: le perdite magnetiche e di conduzione possono essere scambiate in modo tale da ottimizzare l'efficienza. Questo vantaggio diventa sempre più importante all'aumentare delle prestazioni. Con DC brushless, con l'aumentare delle dimensioni della macchina, le perdite magnetiche aumentano proporzionalmente e l'efficienza del carico parziale diminuisce. Con l'induzione, con l'aumentare delle dimensioni della macchina, le perdite non aumentano necessariamente. Pertanto, gli azionamenti a induzione possono essere l'approccio preferito laddove si desiderino prestazioni elevate;

I magneti permanenti sono costosi - qualcosa come $ 50 al chilogrammo. I rotori a magneti permanenti (PM) sono anche difficili da gestire a causa delle forze molto elevate che entrano in gioco quando qualcosa di ferromagnetico si avvicina a loro. Ciò significa che i motori a induzione manterranno probabilmente un vantaggio in termini di costi rispetto alle macchine PM. Inoltre, a causa delle capacità di indebolimento di campo delle macchine a induzione, i valori nominali e i costi degli inverter sembrano essere inferiori, soprattutto per gli azionamenti ad alte prestazioni. Poiché le macchine a induzione rotante producono poca o nessuna tensione quando diseccitate, sono più facili da proteggere.

TUTTI i motori elettrici rotanti sono motori a corrente alternata. Ognuno di loro.
Inoltre, essenzialmente stanno facendo la stessa cosa. La differenza è come il DC viene trasformato in AC e come viene utilizzato per produrre un risultato standard.

L'unico motore che è elettronicamente DC è il motore della spazzola. Il DC viene trasformato in AC dal commutatore rotante e spazzole fisse. A parte quel motore, tutti gli altri avranno bisogno di una qualche forma di conversione da CC a CA. Il motore della spazzola è generalmente poco attraente perché il commutatore meccanico da CC a CA (commutatore) è relativamente costoso e di durata relativamente breve.

Quindi, per una Tesla o un altro veicolo elettrico la scelta non è DC o AC, ma quale forma di motore AC soddisfa meglio gli obiettivi di progettazione in modo economico.

Tesla utilizzerà ciò che fa perché ha raggiunto gli obiettivi di progettazione nel modo più conveniente.

I downvotes suggeriscono che un certo numero di persone sono d'accordo con Marcus e pensano che la risposta di cui sopra sia nitpicking. Un piccolo pensiero e uno sguardo alle mie risposte in generale possono suggerire una mancanza di comprensione da parte dei votanti.

Tutti i motori elettrici rotativi sono motori a corrente alternata

• Se pensi che questo punto sia pignolo, allora devi pensare più intensamente a ciò che un'auto elettrica fa nel complesso.

Vediamo se i downvoter hanno il coraggio di leggere quanto segue e quindi rimuovere i loro downvotes. Per me non importa. Nella misura in cui indurre in errore le altre persone, conta molto.

TUTTI i motori elettrici rotanti richiedono un controller per applicare la corrente alternata al motore in qualche modo.
La distinzione tra motore CA e motore CC è utile in alcuni contesti, ma in un'automobile che è un sistema chiuso che inizia con una fonte di energia CC e termina con un motore elettrico rotativo, la distinzione è falsa e non utile. L'auto è un sistema chiuso. Da qualche parte nel sistema c'è un controller che converte il DC in AC in qualche forma. Non importa se è montato all'interno dello statore o del rotore del rotore, all'interno del guscio del motore, attaccato al guscio o da qualche altra parte nell'auto.

In un motore "DC" spazzolato, il "controller" è un interruttore meccanico montato sull'estremità dell'albero motore. Questo controller è \ commutatore ma è funzionalmente un controller che prende DC e crea un inseguimento sul campo magnetico AC di coda per quanto riguarda gli avvolgimenti nel motore.

Uno statore con avvolgimento a rotore a magnete permanente "Motore CC senza spazzole" è molto simile dal punto di vista funzionale a un motore CC spazzolato, con il commutatore che viene sostituito da interruttori e sensori elettronici che prendono la corrente continua in dotazione e la applicano a vari campi in modo che possano inseguire la coda come il rotore gira. Ancora una volta è un motore a corrente alternata con un controller. Basta chiedere qualsiasi avvolgimento. I sensori si trovano all'interno del motore e gli interruttori possono essere adiacenti al motore o remoti.

Un motore a induzione a gabbia di scoiattolo aggiunge un certo grado di complessità utilizzando la rotazione di un nido di avvolgimenti a bassa impedenza all'interno del campo dello statore per indurre la tensione nelle barre del rotore e per creare un campo magnetico che ruota il rotore in modo che insegue il campo CA rotante applicato agli avvolgimenti dello statore. Ancora una volta, ha corrente continua monodirezionale (ma che varia in modo sinusoidale) durante qualsiasi porzione della sequenza di azionamento. È tanto un sistema misto DC e AC quanto un altro.

Si potrebbe descrivere con riluttanza i motori di azionamento a correnti parassite variabili, più o meno uguali ma diversi. È un motore AC con un controller che lo produce da DC.

La distinzione fatta è irrilevante e banale. La vera domanda è "perché Tesla usa questa particolare forma di motore piuttosto che un'altra"? Che questo non sia solo semantica, ma una mancanza di comprensione è dimostrata dal wordin

• ... che richiedono l'invertitore di potenza, anziché CC che più direttamente dalla loro batteria CC. L'introduzione di inveter comporta un costo maggiore (peso, controller, ecc.) ...

L'unico motore "DC" che non richiede alcuna forma di inverter o sistema di commutazione elettronico è il motore a spazzole meccaniche. Questi sono così inadatti al compito di azionamenti leggeri a velocità variabile che ce ne saranno pochi se non usati nei moderni design di auto elettriche. TUTTI gli altri stili di motore elettrico che non hanno inverter avranno alcuni componenti elettronici al posto di un inverter.

Ho detto che i motori elettrici "ROTARY" sono motori a corrente alternata perché si può probabilmente produrre un motore lineare senza spazzole con funzionamento a corrente continua commutato, anche se questo farebbe un uso inefficiente del rame e dei magnetici. Potresti farlo con un motore rotativo ma nessun mondo reale motore nella produzione in volume lo farebbe.

I motori a corrente continua non possono corrispondere alla densità di potenza delle macchine a corrente alternata. La massima intensità di campo che anche i migliori magneti possono raggiungere è di 2,5 tesla attraverso l'intercapedine d'aria e per fare ciò è necessaria una seria ingegneria, in particolare se si desidera quindi ruotare velocemente in modo che la densità di potenza sia elevata. Le macchine a induzione producono abbastanza 3+ tesla senza tutto il dolore dei magneti e tolleranze stupide. Ovviamente non lo fanno come macchine DC in modo efficiente, ma chi ha detto che le auto sportive erano efficienti? Kg per kg la macchina a induzione CA è la più potente di tutti i tipi di macchina quando controllata acquista un sofisticato inverter e funziona a velocità di rotazione elevate.

I veri motivi per cui usano i motori a induzione per le loro auto sono:

1. i motori a induzione sono più economici
2. i motori a induzione non richiedono molta manutenzione (senza spazzole)
3. i motori a induzione sono più leggeri
4. la nuova tecnologia per controllare la velocità dei motori a induzione è ora disponibile (tensione variabile, frequenza variabile) e facile da produrre in serie

IMHO, Propulsione AC (Tesla Motors) usa AC perché un motore DC commutato meccanicamente che soddisfa l'elevato rapporto di "abbassamento" di un'applicazione del veicolo è più complesso di un motore AC commutato elettronicamente. Senza quell'alto rapporto di rotazione, la dimensione fisica del motore che produce solo una coppia grezza sarebbe proibitiva. Il motore a induzione piuttosto che il motore PM non è solo più finanziariamente stabile, ma anche più stabile dal punto di vista ingegneristico. I magneti possono danneggiarsi. Il campo elettromagnetico si avvolge nel rotore, non tanto e come dimostrano, la densità di energia è simile.

Faccio grande eccezione all'apparente consenso sul fatto che "Tutti i motori elettrici sono in corrente alternata" e baso la mia argomentazione su un movimento unipolare, non sulla rivoluzione completa del motore.

All'interno di un singolo spostamento del polo l'unica volta in cui è realmente richiesta la corrente alternata è quando è necessario indurre un flusso di corrente in un avvolgimento parassitario, come nel rotore dei motori a induzione. Altrimenti, è necessaria solo la commutazione.

Questo argomento può essere mostrato al meglio osservando un motore in stallo. Solo i motori senza PM o campi avvolti, che sono motori a induzione, hanno bisogno di CA per generare la corrente di campo che crea il campo magnetico reattivo.

Tutti gli altri motori devono solo fornire corrente continua allo statore per generare la coppia massima allo stallo. I motori a campo avvolto usano spesso la corrente alternata per generare il campo, ma funzionano bene anche con la corrente continua, probabilmente con una coppia ancora maggiore rispetto a quando sono attivi la corrente alternata.

I miei "servo" motori PM possono tagliare la CC per controllare l'alimentazione, ma stanno solo tagliando la CC, non invertendola ad ogni taglio. Metti un commutatore meccanico sul servomotore AC PM e funzionerà su DC. Vero, non altrettanto efficiente ma non a causa della mancanza di una forma d'onda sinusoidale. Sarà inoltre limitato alla massima velocità senza un dispositivo di avanzamento della spazzola meccanica.

Trascorri un po 'di tempo considerando le proprietà di stallo di un motore doppiamente avvolto, ovviamente un motore "solo AC", quando fornito con DC e forse sarai in grado di capire la mia tesi. Solo quando si desidera spingere ciascun polo oltre a tirarlo, è necessario fornire CA, altrimenti CC è tutto ciò che serve e spesso tutto ciò che si utilizza, anche se l'alimentazione è CA.

Ardesia

Tutti: le macchine spazzolate sono limitate a forse 48 V per evitare l'arco. Al contrario, una macchina senza spazzole può funzionare facilmente da una batteria da 240 V, con tensione aumentata a 480 V o superiore da un convertitore boost CC posizionato tra batteria e motore. Con una tensione così elevata, simile a quella utilizzata nella maggior parte delle auto ibride o plug-in di oggi, le perdite del controllo della velocità sono ridotte al minimo in relazione alla potenza totale trasferita, promuovendo così un'alta efficienza.

In realtà, Tesla utilizza motori elettrici sincroni, che utilizzano sia CA che CC. Se il motore usasse solo AC sarebbe un motore asincrono a induzione, che è un motore imprevedibile da usare nei veicoli a causa dello slittamento nel campo elettromagnetico quando viene indotta una tensione nel rotore (La velocità di uscita è più lenta della rotazione del campo elettromagnetico Formula: giri al minuto = frequenza * 60 / coppie di poli per fase - velocità di scorrimento).

In un motore sincrono ha una bobina di statore ingrandita CA (come un motore a induzione convenzionale), ma ha anche un rotore ingrandito CC (a differenza di un motore a induzione). In questo modo la velocità di uscita può raggiungere la velocità massima teorica (la velocità del sole) che rende un motore prevedibile ed efficace da utilizzare nei veicoli. (Formula: giri al minuto = frequenza * 60 / coppie di poli per fase).

Tesla può quindi esplorare questo e usare un ESC (Electronic Speed ​​Controller). Un ESC è un circuito che inverte una parte della potenza CC dalla batteria alla potenza CA, cambia le onde quadrate in onde sinusoidali, cambia la frequenza e l'ampiezza in linea con i segnali dal pedale del gas e invia la potenza elaborata allo statore. Cambia anche l'ampiezza dell'alimentazione CC al rotore in linea con l'alimentazione CA allo statore.