Motor


Die Größe einer Wassermelone, aber mit viel mehr Saft Die Größe einer Wassermelone, aber mit viel mehr Saft

BETRACHTEN SIE ZUNÄCHST DIE ALTERNATIVE

Der Verbrennungsmotor ist eine komplexe, beeindruckende Maschine. In perfektem Zusammenspiel öffnen sich die Ventile, zünden die Zündkerzen, bewegen sich die Kolben und dreht sich die Kurbelwelle. In jedem vierten Zyklus explodiert ein Luft-Kraftstoff-Gemisch und ein Kolben wird nach unten gedrückt. Die Kurbelwelle wandelt die lineare Bewegung des Kolbens und des Pleuels in eine Drehbewegung, die schließlich das Fahrzeug antreibt.

Leider führt die Komplexität des Verbrennungsmotors zu Energieverschwendung. Im besten Fall werden nur 30% der im Benzin gespeicherten Energie in eine Vorwärtsbewegung umgewandelt. Der Rest wird als Wärme und Geräuschentwicklung verschwendet. Ohne drehenden Motor steht kein Drehmoment zur Verfügung. In der Tat muss sich der Motor mit mehreren hundert Umdrehungen pro Minute (U/min) drehen, bevor ausreichend Kraft zur Verfügung steht, um den eigenen internen Verlust zu überwinden - deshalb laufen Fahrzeuge mit rund 1.000 U/min im Leerlauf.

Ein Verbrennungsmotor entwickelt das maximale Drehmoment erst mit vielen tausend Umdrehungen pro Minute. Sobald das maximale Drehmoment erreicht ist, beginnt es auch schnell wieder zu fallen. Zur Überwindung dieses engen Drehmomentbereichs werden Mehrganggetriebe verwendet, um Getriebeübersetzungen für den wirksamsten Drehbereich des Motors zu erzielen.

Die Ausgabeleistung von Verbrennungsmotoren konnte durch eine höhere Umdrehung verbessert werden. Allerdings haben Verbrennungsmotoren eine Drehzahlgrenze - bei der Überschreitung einer Drehzahl von 5.000 oder 6.000 wird es schwierig und kostspielig, das Zeitverhalten aller Teile aufeinander abzustimmen. Denken Sie zum Beispiel an die Federn, die die Ventile in die Geschlossen-Position drücken: eine Feder kann sich nur mit einer gewissen Schnelligkeit ausdehnen. Bei einer erhöhten Drehzahl des Motors geraten die Federn ins Hintertreffen, und das Ventil könnte am Ende den Kolben berühren, was zu einem katastrophalen Motorschaden führen würde.

DEN VERBRENNUNGSMOTOR DURCH EINEN MOTOR ERSETZEN

Elektromotoren sind schlichtweg einfach. Der Motor wandelt Elektrizität in mechanische Energie um und wirkt auch als Generator, wodurch mechanische Leistung in Elektrizität gewandelt wird. Im Vergleich zu den unzähligen Teilen in einem Motor besteht der Motor des Roadsters nur aus einem beweglichen Teil - dem Rotor. Der drehende Rotor eliminiert die Umwandlung einer Linearbewegung in eine Drehbewegung und muss keine mechanischen Zeitprobleme überwinden.

Bei einem Elektromotor steht das Drehmoment bei jeder Drehzahl zur Verfügung. Die gesamte Drehkraft des Motors ist zum Zeitpunkt des Drückens des Gaspedal vorhanden. Das maximale Drehmoment bleibt konstant bis knapp 6000 U/min und beginnt dann erst langsam zu sinken.

Das breite Drehmomentenband, vor allem das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, eliminiert die Notwendigkeit eines Getriebes - der Roadster hat nur eine einzige Gangreduktion, und fährt in einem Übersetzungsverhältnis von Null auf Höchstgeschwindigkeit. Durch Umschalten von zwei Phasen (dies kann elektronisch erfolgen) läuft der Motor rückwärts. Es besteht keine Notwendigkeit für einen Rückwärtsgang. Nicht nur, dass das Design unglaublich einfach, zuverlässig, kompakt und leicht ist, sondern es ermöglicht auch ein einzigartiges und aufregendes Fahrerlebnis. Der Roadster beschleunigt schneller als die meisten Sportwagen und ob beim Fahren auf windigen Bergstraßen oder beim Cruisen auf der Autobahn, immer steht das volle Drehmoment sofort zur Verfügung.

Der Elektromotor von Tesla ist nicht nur ein großartiger Erzeuger von Drehmoment - er ist in der Lage, Drehmoment effizient zu generieren. Der Roadster erreicht einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 88%, etwa dreimal effizienter als ein konventionelles Fahrzeug.

Abhängig von der Fahrsituation, arbeitet der Motor des Roadsters als Generator zum Laden des Akkus. Wenn das Gaspedal freigegeben wird schaltet der Motor in den „Generator“-Modus und sammelt die Energie des sich verlangsamenden Fahrzeugs. Die Erfahrung ist ähnlich der „Motorbremse“ in einem konventionellen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, aber intuitiver - der Fahrer steuert die Geschwindigkeit des Autos mit nuancierten Abstimmungen des rechten Fußes.

EINFACHHEIT DES MOTORS

Elektromotoren gibt es in vielen Bauarten, jede mit einem anderen Ansatz zur Generierung mechanischer Kraft (Drehmoment) durch die einfache Interaktion von zwei Magnetfeldern. Der Roadster von Tesla verwendet einen dreiphasigen Wechselstrom-Induktionsmotor (auch Asynchronmotor). Der AC-Induktionsmotor wurde zuerst von Nikola Tesla im Jahr 1888 patentiert. Drehstrom-Asynchronmotoren sind dank ihrer Zuverlässigkeit, Einfachheit und Effizienz in der Industrie weit verbreitet.

Der Motor des Roadsters besitzt zwei Hauptkomponenten: einen Rotor und einen Stator. Der Rotor ist eine mit Kupferschienen durchzogene Welle aus Stahl. Er dreht sich und hierdurch drehen sich die Räder. Der stationäre Stator umgibt den Rotor ohne Berührung. Der Stator hat zwei Funktionen: er generiert ein rotierendes Magnetfeld, und er induziert einen Strom in den Rotor. Der Strom generiert ein zweites Magnetfeld im Rotor, das dem rotierende Statorfeld folgt. Das Ergebnis ist das Drehmoment. Einige Motoren verwenden Dauermagneten, aber nicht der Motor des Tesla Roadsters - das Magnetfeld wird vollständig durch den Strom erzeugt.

GENERIEREN VON ELEKTROMAGNETISMUS

Der Stator besteht aus Kupferdraht, der durch einen Stapel aus dünnen Stahlplatten, genannt Lamellen, gewickelt wird. Der Kupferdraht leitet den von dem Power Electronics Module eingespeisten Strom in den Motor. Drei Kabelsätze sind vorhanden - jedes Kabel führt eine der drei Elektrizitätsphasen. Stellen Sie sich eine Phase als eine Welle mit Gipfeln und Tälern (eine Sinuswelle) vor. Die Welle „alterniert“ zwischen Gipfeln und Tälern. Die drei Phasen sind voneinander versetzt, das Ansteigen und Abfallen aller Phasen wird miteinander kombiniert und stellt somit eine reibungslose Stromversorgung sicher - und damit die Leistung. Der Wechselstromfluss in den Kupferwicklungen erzeugt ein Magnetfeld. Dies ist Elektromagnetismus. Und so wie der Strom in jeder Phase ständig steigt und fällt, variiert das Magnetfeld auch zwischen “Nord” und “Süd”.

Aufgrund der Art der Anordnung der Kupferspulen innerhalb des Stators scheint sich das Magnetfeld auf einer Kreisbahn um den Stator zu bewegen - ähnlich den Zuschauern in einem Sportstadion, die gemeinsam mit benachbarten Fans die Illusion einer „Welle“ durch den Wechsel zwischen Stehen und Sitzen schaffen.

 

DREHMOMENTERZEUGUNG

Die erwähnten Kupferschienen sind miteinander „kurzgeschlossen “ (wird als “Käfigläufer” bezeichnet), was einen Fluss des Stroms mit geringem Widerstand von einer Seite des Rotors zur anderen ermöglicht. An den Rotor wird keine direkte Elektrizität angelegt. Wenn ein Leiter (Kupferschiene) durch ein Magnetfeld (wird durch den Wechselstrom im Stator generiert) bewegt wird, wird ein Strom induziert. Dies ist die Induktion.

Da sich das Statormagnetfeld bewegt (Sie erinnern sich an die Welle), ist der Rotor immer versucht, aufzuholen. Diese Wechselwirkung der Magnetfelder erzeugt das Drehmoment. Die Höhe des erzeugten Drehmoments hängt von der relativen Position des Rotorfeldes in Bezug auf die rollende Magnetismus-„Welle“ im Stator (dem Statorfeld) ab. Je weiter sich das Rotorfeld von der „Welle“ entfernt, desto mehr Drehmoment wird erzeugt. Da sich das Statorfeld beim Drücken des Gaspedals stets vor dem Rotor befindet, dreht sich der Rotor immer, um aufzuholen, und es wird kontinuierlich ein Drehmoment erzeugt.

Gibt der Fahrer das Gaspedal frei, ändert das Leistungselektronikmodul sofort die Position des Statorfeldes auf eine Position hinter dem Rotorfeld. Nun muss sich der Rotor verlangsamen, um sein Feld auf das Statorfeld auszurichten. Die Richtung des Stroms im Stator wird umgeschaltet und Energie wird über das Leistungselektronikmodul zurück in den Akku geleitet. Dies ist die Energierückgewinnung.

MOTORSTEUERUNG

Wie wird der Motor gesteuert? Wie weiß der Motor, wann er ein Motor und wann er ein Generator ist? Woher weiß er, wieviel Drehmoment er liefern muss?

Dies hängt vom Fahrer und dessen Spiel mit dem Gaspedal ab. Wird das Gaspedal gedrückt, interpretiert das Power Electronics Module dies mit einer Anforderung nach Drehmoment. Das Durchtreten bedeutet eine Anforderung nach 100% des verfügbaren Drehmoments. Halb durchgedrückt? Eine Anforderung nach einem teilweisen Drehmoment. Das Loslassen des Gaspedals bedeutet eine Anforderung nach Energierückgewinnung. Das Leistungselektronikmodul interpretiert die Gaspedalposition und sendet die entsprechende Höhe des Wechselstroms an den Stator. Das Drehmoment wird im Motor erzeugt, und das Fahrzeug beschleunigt.

DER TESLA VORTEIL

Obwohl er Gemeinsamkeiten mit Industriemaschinen besitzt, ist der Motor des Roadsters extrem einzigartig. „Traktions“-Motoren müssen klein und leicht bleiben. Der Motor des Roadsters besitzt ungefähr die Größe einer Wassermelone (ist aber ein wenig schwerer), weist jedoch nur einen Bruchteil der Größe einer industriellen Maschine mit ähnlichen Leistungsdaten auf. Aluminium-Flugzeuglegierungen werden für ein vorteilhaftes Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnis und keramische Lager für eine lange Lebensdauer und eine reduzierte Reibung, selbst bei hohen Geschwindigkeiten, verwendet. Hochfeste Stähle sind zur Beherrschung des massiven Drehmoments erforderlich.

Das Power Electronics Module liefert bis zu 900 Ampere Strom an den Stator. Zur Handhabung solch hoher Ströme enthalten die Statorwicklungen in einem Tesla Motor deutlich mehr Kupfer, als ein herkömmlicher Motor gleicher Größe. Das Kupfer wird zur Optimierung des Wirkungsgrades eng in einem proprietären Wickelmuster gewickelt.

Die Kupferschleifen sind zur Erleichterung der Wärmeübertragung durch spezielle Polymere gekapselt und garantieren die Zuverlässigkeit unter den Anforderungen eines High-Performance-Fahrens auch unter extremen Bedingungen. Der Motor ist, wie alle Teile des Roadsters, getestet, um sowohl dem arktischen Winter und als auch dem Sommer in Phoenix, Arizona standzuhalten.

Hohe Statorströme bedeuten hohe Rotorströme. Im Gegensatz zu typischen Asynchronmotoren, die Aluminium als Leiter verwenden, sind die Rotorleiter des Roadsters aus Kupfer. Kupfer ist zwar schwerer zu verarbeiten, besitzt jedoch einen viel geringeren Widerstand und kann daher höhere Ströme leiten. Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Design des Motors gewidmet, damit die hohe Drehzahl (14.000 U/min) verarbeitet werden kann.

Obwohl hocheffizient, erzeugt der Motor dennoch etwas Wärme. Zur Beibehaltung akzeptabler Betriebstemperaturen wurden speziell entwickelte Kühlrippen in das Gehäuse integriert, und ein Lüfter wird zur effektiven Hitzeableitung eingesetzt, um Luft in die Rippen zu blasen. Dies trägt dazu bei, dass das gesamte Paket leicht und dicht ist.


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