Двигатель Тесла: характеристика, описание, создание

Двигатель Tesla Model S

Начнём с силового агрегата автомобиля, без сомнений представляющего интерес для поклонников современной, экологически частой техники, да и не только для них. Итак, перед нами асинхронный электромотор, разработанный великим сербским изобретателем Николой Теслой (Nikola Tesla). Далее, разберём его устройство и принцип работы.

В состав конструкции входит два основных элемента: статор и ротор

А как же функционирует это высокоэффективное устройство? Асинхронный электромотор — это 3-х фазный движок с вращающимся магнитным полем, образующимся в обмотках статора. Это самое поле заставляет вращаться ротор, а работает аппарат на переменном токе.

В асинхронном электродвигателе скорость вращения ротора, ниже скорости вращения магнитного поля. Частота вращения данного мотора имеет зависимость от частоты переменного тока, подаваемого на его обмотки. Чем она больше, тем с большей скоростью будет работать движок. Из этого следует, что манипулируя частотой, мы манипулируем вращением электродвигателя и естественно, скоростью самого средства передвижения. Всё управление Model S сводится к преобразованию постоянного тока в переменный 3-фазный и возможности менять его частоты. Эта трансформация делает все модели Тесла простыми и надёжными в эксплуатации.

Платформа из аккумуляторных батарей

Асинхронный двигатель надо чем-то питать. Поэтому, в автомобилях Тесла используется блок-платформа из литий-ионных аккумуляторов. Этот блок из батарей выдает постоянный ток.

платформа из аккумуляторных батарей в автомобилях
платформа из аккумуляторных батарей в автомобилях Тесла

Такой блок состоит из маленьких простых li-ion батареек

Литий-ионные аккумуляторы в аккумуляторной платфор
Литий-ионные аккумуляторы в аккумуляторной платформе автомобилей Тесла

Решетка, которая частично держит батарейки, также является радиатором, по которой бежит антифриз

радиатор для аккумуляторных батареек
радиатор для аккумуляторных батареек

такой тип радиатора очень эффективен, так как он охлаждает все батарейки равномерно.

Все эти батарейки собираются в небольшие модули

модуль из батареек
модуль из батареек

Платформа состоит из нескольких таких модулей

В живую это выглядит примерно вот так:

аккумуляторная платформа автомобилей Тесла
аккумуляторная платформа автомобилей Тесла

Антифриз, который охлаждает платформу из батарей, охлаждается в передней части автомобиля на автомобильном радиаторе

радиатор, охлаждающий батарейки
радиатор, охлаждающий батарейки

Также можно увидеть, что тяжелая платформа из батареек близко находится к земле, поэтому низкий центр тяжести улучшает управляемость и стабильность автомобиля.

низкий центр тяжести в автомобилях Тесла
низкий центр тяжести в автомобилях Тесла

Стоимость такой батареи-платформы более 12 000 долларов, а вес более полтонны. Пока что платформа-батарея является самой дорогой частью автомобиля. Да и вообще, проблема всех электрокаров – это дорогие аккумуляторы. Если ученые разработают дешевые и очень емкие аккумуляторные батареи, то придет конец эпохе ДВС.

Как работает электродвигатель?

Принцип работы электродвигателя «Тесла» такой.Он начинается с аккумулятора в автомобиле, который подключен к двигателю. Электрическая энергия подается на статор через аккумулятор. Катушки внутри статора (изготовленные из проводящей проволоки) расположены на противоположных сторонах сердечника статора и действуют как магниты. Поэтому когда электрическая энергия от автомобильной батареи подается на двигатель, катушки создают вращающиеся магнитные поля, которые тянут проводящие стержни снаружи ротора вдоль него. Вращающийся ротор — это то, что создает механическую энергию, необходимую для поворота шестеренок автомобиля, которые, в свою очередь, вращают шины.

В электромобиле нет генератора переменного тока. Как же заряжается аккумулятор? Когда нет отдельного генератора переменного тока, двигатель в электромобиле действует и как двигатель, и как и генератор. Это одна из причин, почему электромобили настолько уникальны. Как упоминалось выше, аккумулятор запускает двигатель, который подает энергию на шестерни, которые вращают шины. Этот процесс происходит, когда нога находится на ускорителе — ротор тянется вдоль вращающегося магнитного поля, требуя большего крутящего момента. Но что происходит, когда отпускают ускоритель?

Когда нога сходит с акселератора, вращающееся магнитное поле останавливается, и ротор начинает вращаться быстрее (в отличие от того, чтобы его тянуть вдоль магнитного поля). Когда ротор вращается быстрее, чем вращающееся магнитное поле в статоре, это действие перезаряжает батарею, действуя как генератор переменного тока.

Минусы электромобилей Тесла

1. Продолжительное время подзарядки

А вот тут электрокары проигрывают своим оппонентам работающим на горючем. Последние, можно заправить практически за пять минут, а вот электромобиль Тесла при «скоростной» зарядке будет заряжаться почти час. Однако инженеры компании постоянно работают над уменьшением времени отведённого на зарядную процедуру. С этой целью они разместили по всему миру свои фирменные Supercharger stations, позволяющие заправить электрическую машину на 80% за полчаса, причём совершенно бесплатно. Если же вы захотите зарядить своё авто под завязку, то можно рассчитывать где-то на 1,5 ч.

2. Высокая цена

В принципе, удивительного здесь ничего нет — высокие технологии всегда стоили не мало. Самая скромная комплектация, в США затянет на ценник от 43 тыс. долларов, это 2,8 млн. руб. Речь идёт о новой машине, но в любом случае, даже для электромобиля такая себестоимость для многих не приемлема.

Мнение директора компании

«Модель X является особенно сложной машиной для сборки. Может быть, самый сложный автомобиль для строительства в мире. Я не уверен, что будет сложнее », — признался Илон Маск, основатель компании-миллиардера «Теслы» и ее генеральный директор, который также выполняет те же роли в SpaceX.

Маск хочет сосредоточиться на создании лучшего в мире автомобиля, а модель S стоимостью в $ 70 000 по всем правам может претендовать на этот приз. Это полностью электрический автомобиль, он предлагает недельную поездку за одну зарядку от любой из общенациональной сети бесплатных зарядных станций на солнечной энергии.

Это самый быстрый из всех четырехдверных серийных автомобилей на планете, являясь самым безопасным автомобилем своего класса. Когда он сталкивается с машиной для испытания на столкновение, последняя, подобранная для испытания, ломается.

Особенности процесса производства Тесла

Первое, что можно заметить на производственном этаже Tesla Motors, — это роботы. Восемь футов высотой ярко-красных ботов, которые выглядят как трансформеры, прижимающиеся к каждому седану модели S. До восьми роботов одновременно работают над одной моделью S в четкой последовательности, каждая машина выполняет до пяти задач:

  • сварку,
  • заклепывание,
  • захват и перемещение материалов,
  • изгиб металла,
  • установку компонентов.

Инвертор Тесла

Для чего нужно это приспособление? Как уже упоминалось ранее, аккумулятор выдаёт постоянный ток, а вот асинхронный мотор функционирует на переменном. Инвертор отвечает за преобразование прямого тока в переменный, однако это не единственная его функция. Он также контролирует частоту вращения электромотора и его мощность, а следовательно, скоростной режим электрической машины и её ускорение.

Рекуперативное торможение

В автомобиле Тесла всего две педали и подножка для левой ноги, чтобы было куда ее девать при вождении)

педали в автомобиле Тесла
педали в автомобиле Тесла

На самом же деле управлять автомобилем можно всего с помощью одной педали: педали газа. На английский манер такой способ вождения электрокаров называется one pedal driving. Почему это возможно на электрокарах?

Давайте для начала разберемся, как вообще происходит торможение в простом автомобиле на ДВС?

Когда мы нажимаем педаль тормоза, у нас тормозные колодки прижимаются к тормозным дискам, и автомобиль начинает тормозить. Куда уходит вся кинетическая энергия движущегося автомобиля? Она превращается в тепло и рассеивается в окружающем пространстве. Можете потрогать тормозные диски после длительного торможения. Они будут очень горячие.

Но вот в автомобилях Тесла торможение происходит совсем по другому принципу. Да, там тоже имеются тормозные колодки и диски, но они используются намного реже, чем у авто с ДВС. Как происходит торможение в Тесла? Как только вы отпускаете педаль газа, автомобиль начинает останавливаться, то есть активируется система рекуперативного торможения. В этом случае двигатель превращается в генератор электрической энергии. Куда уходит энергия от торможения? Если в простых автомобилях она уходила в тепло, то здесь двигатель в роли генератора начинает подзаряжать аккумуляторы. То есть можно сказать, что вся кинетическая энергия автомобиля превращается в электричество и запасается в аккумуляторах. Но почему же происходит процесс торможения? Дело в том, образующееся магнитное в обмотках статора будет тормозить ротор, поэтому и происходит торможение вала двигателя.

Для полной остановки электромобиля потребуется педаль тормоза, которую нажимают в самом конце остановки. Отсюда следует, что тормозные колодки на Тесле надо менять в разы реже, чем на автомобиле с ДВС.

Редуктор Tesla

В преимущества электромобилей Тесла записано отсутствие КПП, но естественно остаётся вопрос — а как тогда, при такой конструктивной особенности, тяга передаётся на ведущие колёса? Всё просто, для этого манёвра конструкторы применили редуктор, который, в принципе, можно назвать односкоростной КП.

В разрезе устройство выглядит так:

Просто и соответственно надёжно и недорого! Ещё один интересный вопрос: как задействуется задний ход? А вот за этот процесс отвечает как раз таки не редуктор, а инвертор, меняющий две фазы на движке местами, после чего, электромотор просто начинает вращаться в противоположном направлении.

Преимущества автомобиля Тесла

Электричество вместо топлива. Заправлять автомобиль электричеством намного дешевле, чем жидким топливом. Давайте сделаем простые расчеты…

Самые мощные батареи, которые устанавливаются на Теслу – это 100 кВт⋅час. Запас хода при этом составляет что-то около 500 км. Итак, 1 кВт⋅час для Москвы стоит где-то около 6 руб. Итого, чтобы заправить наш авто, потребуется 100 х 6 = 600 рублей. Итого 600/500=1,2 руб/км.

Что с бензином? Простой ВАЗ типа Гранты будет кушать примерно 7 литров на 100 км пути. Литр бензина на момент, пока пишется статья, составляет по Москве 43 рубля. Итого, чтобы на 100 км пути потребуется около 300 рублей. 300/100=3 руб/км

В принципе, почти то же самое соотношение получается и по всему миру.

цена за одну милю
цена за одну милю

О чем это говорит? Да о том, что заправлять автомобиль электричеством обходится почти в 3 раза дешевле, чем бензином.

Экологичность. После сжигания горючего жидкого топлива в атмосферу выбрасывается масса продуктов горения, которые очень сильно вредят окружающей среде. Отсюда разные болезни, особенно у жителей мегаполисов. Электричество в этом плане не выдает никаких вредных веществ в атмосферу.

Да, некоторые защитники могут сказать, для того, чтобы получить электричество, нам надо опять же сжигать газ, уголь, строить атомные реакторы, строить плотины и тд. Но чтобы получить бензин, надо строить нефтеперерабатывающие заводы, нефтепроводы, надо заниматься траспортировкой бензина на АЗС и тд. Не проще ли тянуть провода с какой-нибудь ГЭС?

Кстати, некоторые продвинутые страны очень приветствуют электромобили и снимают с них транспортный налог.

Бесшумность. Звук электродвигателя почти незаметен, поэтому в Тесле вы не услышите никакого рева мотора, так как стоит электродвигатель). Максимум, что вы можете услышать – это гул покрышек при езде.

Отзывчивость педали газа. Педаль газа в Тесле очень отзывчива к нажатию и СРАЗУ же воздействует на динамику разгона и торможения. В этом случае говорят, что при разгоне “вдавливает в кресло”. На Тесле так оно и есть. Современный Tesla Roadster вообще разгоняется до сотки за 1,9 секунд!

Автопилот. О нем я говорил выше в статье.

Безопасность. Пока что автомобиль Тесла признан самым безопасным авто в мире, получив наивысший рейтинг.

Нет коробки передач. Крутящий момент двигателя на требуемых оборотах до 18 000 почти везде одинаков. Поэтому, коробка передач для Теслы не требуется.

Низкая цена обслуживания. Так как Тесла не имеет коробки передач, а также мало изнашиваемых деталей, то ее обслуживание в разы дешевле, чем у автомобиля с ДВС. В автомобиле с ДВС обязательно надо менять масло в коробке, масло в двигателе, тормозные колодки, каждые 3-4 года покупать новый аккумулятор.

Программное обеспечение. В Тесле сидят не только конструкторы, но также и программисты. Поэтому, автомобили Тесла могут похвастаться самым передовым программным обеспечением и контролем за силовыми частями цепи, то есть за аккумуляторами, инвертором, двигателем.  Все это вкупе работает как часики. Также компания не забывает обновлять программное обеспечение по “воздуху”.

Двигатель Тесла, принцип работы

Самым главным узлом в автомобиле является асинхронный двигатель, который разработал великий ученый Никола Тесла. Давайте разберем принцип работы асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из двух частей: статора и ротора

статор и ротор асинхронного двигателя
статор и ротор асинхронного двигателя

Как же работает асинхронный двигатель? Асинхронный двигатель – это трехфазный двигатель переменного тока с вращающимся магнитным полем.

вращающееся магнитное поле
вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле образуется в обмотках статора. Оно в свою очередь приводит в движение ротор.

подключение асинхронного двигателя к трехфазному п
подключение асинхронного двигателя к трехфазному питанию

Также нельзя забывать тот факт, что в асинхронном двигателе скорость вращения самого ротора будет меньше, чем скорость вращающегося магнитного поля, которое образуется в статоре двигателя.

Но и это еще не все. Частота вращения такого двигателя зависит от частоты переменного тока, поступающего на его обмотки. Чем больше частота, тем быстрее будет вращается двигатель. Поэтому, управляя частотой, мы можем управлять вращением двигателя, а следовательно, и скоростью самого автомобиля. То есть все управление автомобилем сводится к тому, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный трехфазный и возможностью менять частОты переменного трехфазного тока. Это простое преобразование постоянного тока в переменный ток нужной частоты делает автомобили Тесла простыми и надежными.

Будущее компании Тесла

Есть ли у компании будущее? Здесь большой вопрос. Все понимают, что будущее должно быть за электрокарами, но также не забывайте, что мы живем в абсолютно другом мире – в мире капитализма, где основная цель большинства людей – это деньги. Поэтому, чтобы посмотреть, как идут дела у компании, мы рассмотрим его с точки зрения инвестора, который готов или не готов вложиться в эту компанию.

Итак, на рисунке ниже мы видим график стоимости акций компании Тесла на июнь месяц 2019 года.

график стоимости акций Тесла
график стоимости акций Тесла

Как вы могли заметить, начиная с 2013 года акции полетели вверх. Где-то приблизительно в это время началась поставка первых автомобилей. Инвесторы увидели перспективу и кинулись покупать акции, что послужило их дальнейшему росту. Если акции в среднем стоили около 30$ за штуку, за пару лет их цена взлетела до 200$ за штуку! То есть акции Тесла подорожали почти в 6 с лишним раз!

Но все ли так гладко в компании? Для этого надо посмотреть финансовый отчет по годам.

прибыль компании Тесла по годам
прибыль компании Тесла по годам

Как вы видите, из года в год компания получает убыток, то есть как говорится по-русски, работает в минус.

Как же сейчас обстоят дела у компании? Для этого открываем квартальные отчеты

квартальный отчет компании Тесла за 2018-2019 год
квартальный отчет компании Тесла за 2018-2019 год

Видим, что за 3 и 4 квартал 2018 года компания получила неплохую прибыль, но за первый квартал 2019 года опять “ушла в минус”.  Чего ожидать дальше, пока никто не знает, хотя Илон Маск уверяет, что с компанией все будет хорошо. Выпускаются новые модели, покоряются новые рынки. Ну что же, поживем  – увидим.

Материал подготовлен по видео: