MOTOR


OMTRENT PÅ STØRRELSE MED EN VANNMELON, MED MYE MER JUICE Omtrent På Størrelse med en Vannmelon, med Mye Mer Juice

VURDER ALTERNATIVET FØRST

Den interne forbrenningsmotoren er en kompleks, fantastisk maskin. I perfekt samspill åpnes ventiler, tennplugger tennes, stempler beveger seg og veivakselen svinger. Ved hver fjerde syklus eksploderer en blanding av luft og drivstoff og et stempel tvinges ned. Veivakselen konverterer stempelets og trekkstangens lineære bevegelse til en roterende bevegelse som til slutt driver kjøretøyet.

Dessverre resulterer kompleksiteten av den interne forbrenningsmotoren i bortkastet energi. I beste fall konverteres bare 30 % av energien lagret i bensinen til fremdrift. Resten er bortkastet som varme og støy. Når motoren ikke snurrer, er det ikke noe dreiemoment tilgjengelig. Motoren må faktisk snurre med flere hundre rotasjoner per minutt (RPM) før den kan generere nok effekt til å overvinne sine egne interne tap – det er derfor inaktive biler står med rundt 1 000 RPM når de står stille.

Den interne forbrenningsmotoren utvikler ikke optimalt dreiemoment før ved mange tusen RPM. Når det optimale dreiemomentet er nådd, begynner det å falle raskt. For å overvinne dette smale dreiemomentsområde, blir flertrinns girkasser brukt for danne girforhold som lar motoren spinne der den er mest effektiv.

Utgangseffekten til en intern forbrenningsmotor kan forbedres med raskere rotasjon. Forbrenningsmotorer har imidlertid en grense for hvor raskt de kan snurre - når RPM overskrider 5 000 eller 6 000 blir det vanskelig og dyrt å holde timingen for motoren på sporet og holde alle delene sammen.  Tenk for eksempel på fjærene som lukker ventilene: en fjær kan bare sprette tilbake på plass med en viss fart.  Når motorens RPM øker, kan fjærene bli hengende etter og ventilen kan ende opp med å treffe stempelet og føre til katastrofale feil på motoren.

Erstatt forbrenningsmotoren med en elektrisk motor

Elektriske motorer er svært enkle. Motoren konverterer elektrisitet til mekanisk kraft, og fungerer også som en generator ved å gjøre mekanisk kraft om til elektrisitet. Sammenlignet med de utallige delene i en forbrenningsmotor, har Roadster-motoren bare én bevegelig del – rotoren. Den roterende rotoren eliminerer konvertering av lineær bevegelse til roterende bevegelse og har ingen mekaniske timingproblemer å overvinne.

Med en elektrisk motor er øyeblikkelig dreiemoment tilgjengelig ved en hvilken som helst RPM. All den roterende kraften av motoren er tilgjengelig i det øyeblikket gassen berøres. Optimalt dreiemoment er konstant på nesten 6 000 RPM, og kun da begynner det å gå nedover.

Det brede dreiemomentsområdet, spesielt dreiemoment tilgjengelig ved lav RPM, eliminerer behovet for gir – en Roadster har bare en ett-trinns girreduksjon; ett girforhold fra null til topphastighet. Bytt om på to av fasene (dette kan gjøres elektronisk), og motoren kjører i revers. Ikke noe behov for et reverseringsgir. Ikke bare er denne designen utrolig enkel, pålitelig, kompakt og lett, men den gir også en unik og begeistrende kjøreopplevelse. Roadsteren akselererer raskere enn de fleste sportsbiler, og har alltid umiddelbart dreiemoment, enten det kjøres på svingete fjellveier eller på motorveien.

Teslas elektriske motor er ikke bare en god generator av dreiemoment - den danner dreiemoment effektivt. Roadsteren oppnår en generell kjøreeffektivitet på 88 %, omtrent tre ganger effekten for en konvensjonell bil.

Der kjøreforholdene tillater det, fungerer Roadster-motoren som en generator for å lade opp batteriet. Når gasspedalen slippes, bytter motoren til ‘generatormodus’ og fanger energi når bilen går ned i fart. Opplevelsen ligner ‘motorbremsing’ i en konvensjonell bil, men er langt mer intuitivt – føreren kontrollerer bilens hastighet med nyanserte justeringer av høyrefoten.

Motorens enkelhet

Elektriske motorer kommer i mange varianter, alle med forskjellige tilnærminger for å danne mekanisk kraft (dreiemoment) fra den enkle samhandlingen mellom to magnetiske felt. Tesla Roadster bruker en trefaset induksjonsmotor med vekselstrøm (AC). AC-induksjonsmotoren ble først patentert av Nikola Tesla i 1888. AC-induksjonsmotorer brukes mye i industrien på grunn av sin pålitelighet, enkelhet og effektivitet.

Roadster-motoren har to primære deler: en rotor og en stator. Rotoren er en roterende aksel av stål med kobberstenger i midten. Den roterer og dreier dermed hjulene. Den stillestående statoren omgir, men berører ikke, rotoren. Statoren har to funksjoner: den skaper et roterende magnetfelt og den induserer strøm i rotoren. Strømmen danner det andre magnetiske feltet i rotoren som jager det roterende statorfeltet. Sluttresultatet er dreiemoment. Noen motorer bruker permanente magneter, men ikke Roadster-motoren -- det magnetiske feltet dannes helt og fullt fra elektrisitet.

Lage elektromagnetisme

Statoren er satt sammen av viklede kobbertrådspoler gjennom en stabel av tynne stålplater som kalles lamineringer. Kobbertråden leder elektrisiteten som mates inn i motoren fra kraftelektronikkmodulen. Det er tre sett med tråder – hver tråd leder én av de tre fasene av elektrisitet. Tenk på en fase som en bølge med topper og daler (en sinusbølge). Bølgen “veksler” mellom topper og daler. De tre fasene er forskjøvet fra hverandre slik at kombinasjonen av stigningene og fallene for hver fase danner en jevn tilførsel av strøm—og derfor kraft. Strømmen av vekselstrøm inn i kobberviklingene oppretter et magnetisk felt. Dette er elektromagnetisme.  Og akkurat som strømmen i hver fase stadig stiger og faller, varierer også det magnetiske feltet mellom “nord” og “sør”.

På grunn av måten kobberspolene er plassert i statoren på, ser det ut som om det magnetiske feltet beveger seg i en sirkelformet bane rundt statoren - lignende måten tilskuere i et idrettsstadium skaper illusjonen av en ‘bølge’ ved å veksle mellom å stå eller sitte i takt med andre tilskuere.

 

Generere dreiemoment

De tidligere nevnte kobberstengene “kortsluttes” med hverandre (kalt et “ekornbur”) , noe som lar strømmen strømme med lite motstand fra den ene siden av rotoren til den andre. Rotoren har ikke en direkte tilførsel av elektrisitet. Når en leder (kobberstengene) flyttes gjennom en magnetfelt (opprettet av vekselstrøm i statoren), induseres strøm. Dette er induksjon.

Fordi statormagnetfeltet beveger seg (husk bølgen), prøver rotoren alltid å ta det igjen. Samhandlingen mellom de magnetiske feltene danner dreiemoment. Mengden dreiemoment produsert er knyttet til den relative plasseringen av rotorfeltet til den rullende ‘bølgen’ av magnetisme i statoren (statorfeltet). Jo lengre rotorfeltet er fra ‘bølgen’, jo mer dreiemoment produseres. Siden statorfeltet alltid ligger foran rotoren når akseleratoren er nedtrykket, snurrer rotoren alltid for å ta det igjen, og produserer kontinuerlig dreiemoment.

Når føreren slipper gasspedalen, endrer kraftelektronikkmodulen umiddelbart statorfeltets posisjonen til bak rotorfeltet. Nå må rotoren sakke ned for å justere sitt felt med statorfeltet. Strømretningen i statoren endrer retning og energien begynner å strømme gjennom kraftelektronikkmodulen, tilbake til batteriet. Dette er regenerering av energi.

Motorkontroll

Hvordan kontrolleres motoren? Hvordan vet motoren når den skal være en motor og når den skal være en generator? Hvordan vet den hvor mye dreiemoment den skal levere?

Det avhenger av føreren og interaksjonen med gasspedalen. Når du trykker ned gasspedalen, tolker kraftelektronikkmodulen det som en forespørsel om dreiemoment. Full gass betyr en forespørsel om 100 % av det tilgjengelige dreiemomentet. Halvveis? En forespørsel om delvis dreiemoment. Å slippe gasspedalen betyr en forespørsel om regenerering. Kraftelektronikkmodulen tolker kommandoene fra gasspedalen, og sender aktuell mengde vekselstrøm til statoren. Dreiemomentet opprettes i motoren og bilen akselererer.

Tesla-fordelen

Selv om den deler historie med industrielle maskiner, er Roadster-motoren svært unik. ‘Trekkraft’-motorer må være små og lette. Omtrent på størrelse med en vannmelon (men litt tyngre) er Roadster-motoren en brøkdel av størrelsen på industrielle maskiner som er i stand til lignende kraftnivåer. Aluminiumlegeringer brukt i fly brukes til å opprettholde et fordelaktig styrke til vekt-forhold og keramiske kulelagre brukes for lang levetid og redusert friksjon, selv ved høy hastighet. Høyfast legeringsstål kreves for å håndtere det massive dreiemomentet.

Kraftelektronikkmodulen leverer så mye som 900 ampere strøm til statoren. For å håndtere slike høye strømnivåer bruker statorspolene i en Tesla-motor betydelig mer kobber enn en tradisjonell motor av samme størrelse. Kobberet er tett pakket i et proprietært viklingsmønster for å optimalisere effektiviteten og kraften.

Kobbersløyfene er innkapslet av spesielle polymerer som står for varmeoverføring og sikrer stabilitet ved krevende høy-ytelseskjøring under ekstreme forhold. Motoren er, som alle deler av en Roadster, testet for å tåle både arktiske vintre og sydlige somre.

Høye statorstrømninger betyr høye rotorstrømninger. I motsetning til vanlige induksjonsmotorer som benytter aluminium til lederne, er Roadster-rotorlederne laget av kobber. Kobber er vanskeligere å arbeide med, men har en mye lavere motstand, og kan derfor håndtere høyere strømninger. Vi var ekstra påpasselige med motordesignen for å håndtere den høye hastigheten (14 000 RPM).

Selv om den er svært effektiv, genererer motoren fortsatt litt varme. For å holde den innenfor akseptabel driftstemperatur, har spesielt utviklede kjøleribber blitt integrert i kabinettet og en vifte brukes for å blåse luft over ribbene, for å få ut varmen på mest effektiv måte. Dette bidrar til å holde den totale pakken lett og stram.


X Deutschland Site Besuchen