MOTEUR


Die Größe einer Wassermelone, aber mit viel mehr Saft Environ la taille d'une pastèque, mais avec beaucoup plus de jus

PREMIÈREMENT, CONSIDEREZ L'ALTERNATIVE

Le moteur à combustion interne est une machine complexe et fascinante. Dans une harmonie parfaite, les soupapes s'ouvrent, les bougies s'allument, les pistons s'activent et le vilebrequin tourne. Tous les quatre cycles, un mélange air-carburant explose et un piston est forcé vers le bas. Le vilebrequin convertit le mouvement linéaire du piston et de la bielle en un mouvement de rotation qui propulse le véhicule.

Malheureusement, la complexité du moteur à combustion interne entraîne d'énormes pertes d'énergie. Dans le meilleur des cas, seulement 30 % de l'énergie contenue dans l'essence est convertie en un mouvement vers l'avant. Le reste est perdu à travers la chaleur et le bruit. Lorsque le moteur ne tourne pas, il n'y a pas de couple disponible. En effet, le moteur doit effectuer plusieurs centaines de tours par minute (tr/min) pour pouvoir générer suffisamment de puissance et surmonter ses propres pertes internes ; c'est pourquoi les voitures à l'arrêt ont un moteur qui tourne au ralenti autour de 1.000 tr/min.

Un moteur à combustion interne ne développe pas de couple maximal avant d'atteindre plusieurs milliers de tr/min. Dès que le couple maximum est atteint, il rechute rapidement. Pour surmonter cette faible plage de couple, des boites de vitesses sont utilisées pour créer des rapports d'engrenage qui maintiennent le moteur au régime de rotation le plus efficace.

La puissance du moteur à combustion interne peut être améliorée par une rotation plus rapide. Cependant, les moteurs à combustion ne peuvent pas tourner au-delà d'une certaine limite, lorsque le nombre de tr/min dépasse 5 000 ou 6 000, il est plus difficile et plus coûteux de continuer de synchroniser le moteur tout en maintenant toutes les pièces assemblées. Par exemple, imaginez les ressorts qui entraînent la fermeture des soupapes : un ressort ne peut rebondir aussi rapidement. Lorsque le nombre de tr/min du moteur augmente, les ressorts peuvent prendre du retard ; les soupapes finissent par heurter le piston, entraînant une panne catastrophique du moteur.

REMPLACER LE MOTEUR THERMIQUE PAR UN MOTEUR ÉLECTRIQUE

Les moteurs électriques sont extrêmement simples. Le moteur convertit l'électricité en énergie mécanique et agit également en générateur qui transforme l'énergie mécanique en électricité. Comparé à la quantité de pièces d’un moteur ordinaire, le moteur du Roadster n'a qu'une seule pièce mobile : le rotor. Le rotor élimine la conversion du mouvement linéaire en mouvement de rotation et ne présente aucun problème de synchronisation mécanique.

Avec un moteur électrique, le couple est immédiatement disponible quelque soit le nombre de tr/min. Toute la force de rotation du moteur est disponible dès que la pédale d'accélérateur est sollicitée. Le couple de pointe reste constant jusqu'à près de 6 000 tr/min, et à ce moment seulement, elle commence à décroître lentement.

La large plage de couple disponible à un régime faible élimine le besoin d'engrenages : le Roadster n'a qu'un seul rapport de réduction allant de zéro à la vitesse maximale. Inversez deux des phases (de manière électronique) et le moteur fonctionne en marche arrière. Pas besoin de pignon de marche arrière. Outre sa simplicité, sa fiabilité, sa compacité et sa légèreté incroyable, ce concept offre une expérience de conduite unique et exaltante. Le Roadster accélère plus vite que la majorité des voitures de sport et ce que vous sillonniez des routes de montagne balayées par le vent ou que vous descendiez l'autoroute en promenade. Le moteur dégage toujours un couple instantané.

Le moteur électrique de Tesla n'est pas simplement un superbe générateur de couple, il est également capable de créer un couple de manière efficace. Le Roadster réalise une efficacité de conduite globale de l'ordre de 88 %, soit environ trois fois l'efficacité d'une voiture conventionnelle.

Lorsque les conditions de conduite le permettent, le moteur du Roadster fonctionne comme un générateur pour recharger la batterie. Lorsque la pédale d'accélérateur est relâchée, le moteur passe en mode « générateur » et récupère de l'énergie tout en ralentissant la voiture. L'expérience est similaire au freinage moteur d'une voiture conventionnelle, mais de loin plus intuitive : le conducteur contrôle la vitesse de la voiture grâce à ses ajustements nuancés avec le pied droit.

SIMPLICITÉ DU MOTEUR

Les moteurs électriques sont présent sous différentes formes, dotées chacune d'une approche différente dans la production d'une force mécanique (couple) à partir de la simple interaction entre deux champs magnétiques. Le Roadster Tesla utilise un moteur à induction triphasé à courant alternatif (AC). Le moteur à induction à courant alternatif a été breveté pour la première fois par Nikola Tesla en 1888. Les moteurs à induction sont très utilisés dans l'industrie pour leur fiabilité, leur simplicité et leur efficacité.

Le moteur du Roadster a deux composantes primaires : un rotor et un stator. Le rotor est un arbre en acier parcouru par des barres de cuivre. Il pivote tout en faisant tourner les roues. Le stator, immobile, entoure le rotor sans le toucher. Le stator assure deux fonctions : il crée un champ magnétique tournant et induit le courant dans le rotor. Le courant crée un second champ magnétique dans le rotor qui poursuit le champ tournant du stator. Le résultat, c'est du couple. Certains moteurs utilisent des aimants permanents, mais pas le moteur du Roadster : le champ magnétique est exclusivement produit par de l'électricité.

CRÉATION DE L'ÉLECTROMAGNÉTISME

Le stator est assemblé par des enroulements de fils cuivrés, à travers de fines lames d'acier appelées laminassions. Le fil de cuivre conduit l'électricité alimentée au moteur depuis le module de transmission électrique. Il y a trois groupes de fils, chacun conduisant l'une des trois phases de l'électricité. Représentez-vous une phase comme une onde avec des crêtes et des dépressions (une onde sinusoïdale). L'onde oscille entre crêtes et dépressions. Les trois phases sont déphasés les unes par rapport aux autres, de sorte que le peignage des crêtes et des dépressions de chaque phase crée un approvisionnement en courant régulier, et par conséquent en puissance. Le flux de courant alternatif dans les fils de cuivre crée un champ magnétique. C'est l'électromagnétisme. De même que le courant de chaque phase peut être ascendant et descendant, le champ magnétique varie également entre « Nord » et « Sud ».

Grace à la position des bobines de cuivre dans le stator, le champ magnétique effectue un mouvement circulaire autour du stator, semblable à la façon dont les spectateurs créent l'illusion d'une vague dans un stade en alternant entre les positions debout et assise.

 

GENERATION DU COUPLE

Les barres de cuivre mentionnées plus haut sont court-circuitées les unes par les autres (souvent appelé cage d'écureuil), ce qui permet au courant de circuler avec une faible résistance d'un bout du rotor à l'autre. Le rotor n'est pas directement approvisionné en électricité. Lorsque le conducteur (les barres de cuivre) traverse un champ magnétique (crée par le courant alternatif dans le stator), un courant est induit. C'est l'induction.

Puisque le champ magnétique du stator est en mouvement (souvenez-vous de l'onde), le rotor essaie toujours de le rattraper. L'interaction des champs magnétiques crée le couple. La valeur du couple généré est proportionnelle à la position relative du champ du rotor par rapport à l'onde de magnétisme qui tourne dans le stator (le champ du stator). Plus le champ du rotor s'éloigne de l'onde, plus la production de couple augmente. Puisque le champ de stator a toujours de l'avance sur le rotor lorsque la pédale d'accélérateur est enfoncée, le rotor est en rotation constante pour le rattraper et, ce faisant, il produit constamment le couple.

Lorsque le conducteur relâche la pédale d'accélérateur, le module de transmission électrique change immédiatement la position du champ du stator, qui passe derrière le champ du rotor. Maintenant, le rotor doit ralentir pour aligner son champ à celui du stator. Le sens du courant du stator change et l'énergie commence à circuler à travers le module de transmission électrique pour retourner à la batterie. C'est la régénération de l'énergie.

COMMANDE DU MOTEUR

Comment le moteur est-il commandé ? Comment le moteur sait-il quand il faut passer du rôle de moteur et celui de générateur ? Comment évalue-t-il la valeur du couple à fournir?

Cela dépend du conducteur et de son interaction avec la pédale d'accélérateur. Lorsque celle-ci est appuyée, le module de transmission électronique interprète l'action comme une demande de couple. Enfoncer complètement la pédale signifie une demande de 100 % du couple disponible. Si la pédale est appuyée à moitié, c'est une demande de couple partiel. Relâcher la pédale d'accélérateur équivaut à une demande de régénération. Le module de transmission électrique interprète les données de la pédale d'accélérateur et envoie la quantité de courant alternatif appropriée au stator. Le couple est créé grâce au moteur et la voiture accélère.

L'AVANTAGE DE TESLA

Même s'il partage l'histoire des machines industrielles, le moteur du Roadster est tout à fait unique. Les moteurs traction doivent rester petits et légers. Ayant environ la taille d'une pastèque (mais un peu plus lourd), le moteur du Roadster est une fraction de la taille d'une machine industrielle et est capable de produire les mêmes niveaux de puissance. Des alliages d'aluminium issus de l'aéronautique sont utilisés pour maintenir un rapport poids / puissance favorable. Des roulements en céramique sont utilisés pour prolonger la durée de vie du véhicule et réduire les frictions, même à grande vitesse. Des alliages d'acier à haute résistance gèrent le couple massif.

Le module de transmission électronique fournit jusqu'à 900 ampères de courant au stator. Pour gérer de telles quantités de courant, les bobines du stator d'un moteur Tesla utilisent une quantité de cuivre nettement supérieure à celle d'un moteur traditionnel de taille identique. Le cuivre est solidement embobiné dans un schéma d'enroulement breveté afin d'optimiser son efficacité et sa puissance.

Les boucles de cuivre sont encapsulées par des polymères spéciaux qui facilitent le transfert de chaleur et assurent la fiabilité, compte tenu des exigences de haut rendement des conduites extrêmes. A l'instar de toutes les pièces du Roadster, le moteur est testé pour vérifier sa résistance aux hivers arctiques et aux étés de la ville de Phœnix.

Des quantités de courant élevées dans le stator impliquent des quantités identiques dans le rotor. Contrairement aux moteurs à induction ordinaires, qui utilisent des conducteurs en aluminium, les conducteurs du rotor du Roadster sont en cuivre. Le cuivre, plus difficile à travailler, présente cependant une résistance plus faible et peut supporter de grandes quantités de courant. Une attention particulière est accordée à la conception du moteur pour lui permettre d'encaisser les grandes vitesses de rotation (14.000 tr/min).

Malgré sa grande efficacité, le moteur génère encore une certaine quantité de chaleur. Pour rester dans des plages de température de fonctionnement acceptables, des ailettes de refroidissement spécialement mises au point ont été intégrées dans le carénage et un ventilateur permet de souffler l'air pour l'évacuation la plus efficace de la chaleur. Cela permet de maintenir l'ensemble léger et compact.


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