MOTORE


Circa la dimensione di un'anguria, ma con molto più succo! Environ la taille d'une pastèque, mais avec beaucoup plus de jus

PER PRIMA COSA, CONSIDERA L'ALTERNATIVA

Il motore a combustione interna è una macchina complessa e stupefacente. In un concerto perfetto, le valvole si aprono, le candele si accendono, i pistoni si muovono e l'albero gira. Ad ogni quarto ciclo, un insieme di aria e carburante esplode e un pistone è spinto verso il basso. L'albero converte il movimento lineare del pistone e della biella ad esso connessa in movimento rotatorio che infine permette al veicolo di muoversi.

Sfortunatamente la complessità del motore a combustione interna non è altro che energia sprecata. Nel migliore dei casi, soltanto il 30% dell'energia del carburante viene convertita in movimento. Tutto il resto viene sprecato sotto forma di calore e rumore. Quando il motore non è in funzione, la coppia non si attiva. In effetti, il motore deve effettuare varie centinaia di rotazioni al minuto prima di generare abbastanza potenza da colmare le sue perdite interne: è per questo motivo che le auto girano a circa 1000 giri al minuto quando sono in folle.

Un motore a combustione interna non sviluppa un picco di coppia prima di migliaia di giri al minuto. Una volta raggiunto il picco di coppia, esso comincia a scendere molto velocemente. Per superare questo margine di coppia molto ridotto vengono utilizzate cinghie di trasmissione multispeed, le quali creano dei rapporti (le marce) che mantengono il motore in rotazione nel suo momento di maggiore efficienza.

L'energia erogata da un motore a combustione interna potrebbe essere migliorata con giri più veloci. Tuttavia, i motori a combustione devono rispettare un limite di velocità massima di giri: nel momento in cui i giri al minuto superano i 5000 o 6000, diventa impegnativo e costoso mantenere in vita per lungo tempo un motore e mantenere tutte le sue parti insieme. Pensate per esempio alle molle che tengono chiuse le valvole, le quali non possono tornare indietro troppo velocemente. Con l'aumentare dei giri al minuto, le molle potrebbero collassare all'indietro e le valvole potrebbero colpire il pistone, il che porterebbe ad un terribile guasto al motore.

METTI DA PARTE IL MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA E UTILIZZA IL MOTORE ELETTRICO

I motori elettrici sono estremamente semplici. Il motore elettrico converte l'elettricità in potenza meccanica e funziona al contempo come generatore, trasformando la potenza meccanica in elettricità. Paragonato alle innumerevoli parti del motore a combustione interna, il motore elettrico Roadster è dotato soltanto di una parte mobile, il rotore. Il rotore girando elimina la conversione del movimento lineare in movimento rotatorio e non ha problemi di vita meccanica da superare.

Con un motore elettrico la coppia è sempre disponibile a qualsiasi numero di giri al minuto. L'intera forza di rotazione del motore è disponibile nell'istante in cui si schiaccia l'acceleratore. Il picchio di coppia è costante a circa 6000 giri al minuto, soltanto dopo inizia a scendere lentamente.

L'ampia portata della coppia, in particolare la coppia disponibile a bassi regimi, elimina la necessità delle marce: la Roadster è dotata di una sola marcia che le permette di andare da 0 alla velocità finale. Passando da una fase all'altra (ciò può essere fatto elettronicamente) il motore ruota all'inverso. Quindi non c'è alcun bisogno della retromarcia. Non solo il design è estremamente semplice, affidabile, compatto e leggero, ma permette di vivere un'esperienza di guida unica ed esilarante. La Roadster e’ dotata di un'accelerazione molto superiore rispetto alla maggior parte della auto sportive, e, sia che stia percorrendo una salita di montagna o una discesa in autostrada, vi è sempre coppia istantanea.

Il motore elettrico Tesla non è soltanto un grande generatore di coppia (è in grado di generare la coppia con grande efficienza). La Roadster raggiunge un'efficienza di guida complessiva dell'88%, circa tre volte l'efficienza di un'auto convenzionale.

Non appena le condizioni di guida lo permettono, il motore della Roadster agisce come un generatore per ricaricare la batteria. Non appena il pedale dell'acceleratore viene rilasciato, il motore passa in modalità "generatore" e cattura l'energia mentre l'auto rallenta. L'esperienza è simile ad un "freno motore" di un'auto convenzionale, ma molto più intuitiva: il conducente può controllare la velocità dell'auto con leggeri movimenti del piede destro.

LA SEMPLICITÁ DEL MOTORE

Esistono varietà diverse di motori elettrici, ognuno con una capacità diversa nel creare una forza meccanica (coppia) dalla semplice interazione di due campi magnetici. La Tesla Roadster utilizza un motore elettrico asincrono trifase (induzione CA). Il motore ad induzione CA è stato brevettato da Nikola Tesla nel 1888. I motori ad induzione CA sono ampiamente utilizzati nell'industria per la loro affidabilità, semplicità ed efficienza.

Il motore Roadster è composto da due componenti principali: il rotore e lo statore. Il rotore è un albero di acciaio con delle barre di rame che vi scivolano attraverso Il rotore ruota e, facendo questo, permette alle ruote di girare. Lo statore stazionario circonda, ma non tocca, il rotore. Esso ha due funzioni: crea un campo magnetico rotante e induce corrente nel rotore. La corrente crea un secondo campo magnetico nel rotore che insegue il campo statore rotante. Il risultato finale è la coppia. Alcuni motori utilizzano magneti permanenti, ma non il motore della Roadster: il campo magnetico infatti deriva completamente dall'elettricità.

CREARE ELETTROMAGNETISMO

Lo statore è assemblato avvolgendo bobine di filo di rame attraverso delle piastre sottili chiamate laminazioni. Il filo di rame conduce l'elettricità all'interno del motore dalla Centralina Elettronica. Esistono tre tipi di filo, ogni filo conduce una delle tre fasi dell'elettricità. Pensate alla fase di un'onda con picchi e valli (un'onda sinusoidale) L'onda "alterna" tra picchi e valli. Le tre fasi sono sfalsate; le onde generano un piano uniforme di corrente, e quindi di potenza. Il flusso di corrente alternata negli avvolgimenti di rame crea un campo magnetico. Questo è elettromagnetismo. E così come la corrente in ogni fase cresce e diminuisce costantemente, anche il campo magnetico varia tra "Nord" e Sud".

A causa del modo in cui le bobine sono collocate all'interno dello statore, il campo magnetico sembra muoversi in modo circolare attorno allo statore (simile allo stesso modo in cui gli spettatori allo stadio creano l'illusione di un'onda alternandosi tra seduti e in piedi).

 

GENERARE LA COPPIA

Le barre di rame di cui abbiamo parlato prima sono in corto tra loro (a "gabbia di scoiattolo"), il che permette alla corrente di scorrere incontrando poca resistenza da una parte all'altra del rotore. Il rotore non ha una fornitura diretta di elettricità. Quando un conduttore (la barra di rame) si muove attraverso un campo magnetico (creato dalla corrente alternata dello statore), la corrente viene indotta. Questa è induzione.

Il campo magnetico dello statore è in movimento (ricordate l'onda) e il rotore cerca sempre di raggiungerlo. L'interazione dei campi magnetici crea la coppia. La quantità di coppia prodotta è correlata alla posizione del campo del rotore in relazione all'onda rotante del magnetismo nello statore (il campo statore). Maggiore è la distanza del campo rotore dall'onda, maggiore coppia viene prodotta. Poichè il campo statore si trova sempre davanti al rotore quando l'acceleratore viene rilasciato, il rotore cerca sempre di raggiungerlo, producendo la coppia.

Quando il conducente rilascia il pedale dell'acceleratore, la centralina elettronica modifica immediatamente la posizione del campo statore per far sì che il campo rotore sia dietro. A questo punto il rotore deve rallentare per allineare il suo campo con il campo dello statore. La corrente nello statore cambia direzione e l'energia comincia a scorrere, attraversa la centralina elettronica e torna alla batteria. Questa è rigenerazione energetica.

CONTROLLO MOTORE

Come viene controllato il motore? Come fa il motore a sapere quando comportarsi da motore e quando da generatore? Come fa a sapere quanta coppia fornire alla vettura?

Questo dipende dal conducente e dall'interazione con il pedale dell'acceleratore. Quando il pedale dell'acceleratore viene premuto, la centralina elettronica interpreta il segnale come una richiesta di coppia. Schiacciare a fondo il pedale significa una richiesta di tutta la coppia disponibile. A metà? Una richiesta parziale di coppia. Lasciare l'acceleratore corrisponde ad una richiesta di rigenerazione. La centralina elettronica interpreta il segnale inviato dal pedale dell'acceleratore e invia la quantità appropriata di corrente alternata allo statore. La coppia viene generata nel motore e l'auto accelera.

I VANTAGGI TESLA

Nonostante condivida storia ed esperienza con diverse macchine industriali, il motore della Roadster è assolutamente unico. I motori a "trazione" devono rimanere piccoli e leggeri. Circa la dimensione di un'anguria (ma leggermente più pesante), il motore della Roadster rappresenta solo una frazione della dimensione di una macchina industriale capace di sviluppare simili potenze. Le leghe in alluminio per i veivoli sono utilizzati per mantenere un vantaggioso rapporto peso/forza e i cuscinetti in ceramica sono utilizzati per durare a lungo e per una frizione ridotta, anche ad alte velocità. Leghe di acciaio altamente resistenti sono richieste per gestire le coppie elevate.

La centralina elettronica fornisce 900 amp di corrente allo statore. Per gestire dei livelli così elevati di corrente, le bobine dello statore in un motore Tesla sono dotate di una quantità di rame molto maggiore rispetto ad un motore tradizionale della stessa misura. Il rame è saldamente raccolto in uno schema apposito allo scopo di ottimizzare efficienza e potenza.

I segmenti di rame sono incapsulati da polimeri speciali che facilitano il trasferimento del calore ed assicurano affidabilità durante la guida ad alte performance in condizioni estreme. Il motore, così come tutte le componenti della Roadster, è stato testato per resistere sia agli inverni antartici sia alle torride estati come quelle di Phoenix.

Alta tensione dello statore significa alta tensione del rotore. Diversamente dai tipici motori ad induzione che utilizzano l'alluminio per i propri conduttori, i conduttori del rotore della Roadster sono composti da rame. Il rame, anche se difficile da lavorare, presenta molta meno resistenza e può pertanto gestire tensioni più elevate. Tesla ha concentrato gran parte delle sue attenzioni alla progettazione del motore affinchè possa gestire al meglio le alte velocità (14000 giri al minuto).

Nonostante sia altamente efficiente, il motore continua però a generare un pò di calore. Per mantenere temperature operative ottimali sono state integrate delle speciali prese d'aria di raffreddamento e una ventola che soffia aria attraverso le suddette prese d'aria, con lo scopo di espellere quanto più calore possibile. Questo permette di mantenere l'intera struttura leggera e solida.


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