Por que um carro Tesla usa um motor de corrente alternada em vez de um motor de corrente contínua?

Eu estava apenas assistindo um mega vídeo de fábrica e me perguntei por que eles usam um motor CA que requer um inversor de energia em vez de CC que pode ser alimentado diretamente de sua bateria CC? A introdução de um inversor significa mais custo (peso, controlador, etc.).

Existem razões para isso? Quais são as diferenças entre um motor CA e CC que podem ter levado a essa decisão? Também alguém sabe que tipo de motor é usado em outros carros elétricos?

Você está perguntando sobre as compensações técnicas que envolvem a seleção de um motor de tração para uma aplicação em veículo elétrico. A descrição do espaço comercial completo do design está muito além do que pode ser resumido aqui, mas descreverei as vantagens e desvantagens do design para esse aplicativo.

Como a quantidade de energia que pode ser armazenada quimicamente (por exemplo, em uma bateria) é bastante limitada, quase todos os veículos elétricos são projetados com eficiência em mente. A maioria dos motores de tração de aplicações de trânsito para aplicações automotivas varia entre 60kW e 300kW de potência de pico. A lei de Ohms indica que as perdas de energia nos cabos, nos enrolamentos do motor e nas interconexões da bateria são P = I ² R. Assim, reduzir a corrente pela metade reduz as perdas resistivas em 4x. Como resultado, a maioria das aplicações automotivas opera com uma tensão nominal no link CC entre 288 e 360V _nom (existem outras razões para essa seleção de tensão também, mas vamos nos concentrar nas perdas). A tensão de alimentação é relevante nesta discussão, pois certos motores, como o Brush DC, têm limites superiores práticos na tensão de alimentação devido ao arco do comutador.

Ignorando tecnologias de motores mais exóticas, como a relutância comutada / variável, existem três categorias principais de motores elétricos usados ​​em aplicações automotivas:

Motor CC da escova : comutado mecanicamente, apenas um simples 'triturador' de CC é necessário para controlar o torque. Enquanto os motores Brush DC podem ter ímãs permanentes, o tamanho dos ímãs para aplicações de tração os torna proibitivos de custos. Como resultado, a maioria dos motores de tração CC são enrolados em série ou em derivação. Nessa configuração, há enrolamentos no estator e no rotor.

Motor CC sem escova (BLDC): comutado eletronicamente pelo inversor, ímãs permanentes no rotor, enrolamentos no estator.

Motor de indução : comutado eletronicamente pelo inversor, rotor de indução, enrolamentos no estator.

A seguir, são apresentadas generalizações impetuosas em relação às compensações entre as três tecnologias motoras. Existem muitos exemplos pontuais que desafiam esses parâmetros; meu objetivo é apenas compartilhar o que eu consideraria valores nominais para esse tipo de aplicativo.

- Eficiência:
Escova DC: Motor: ~ 80%, controlador DC: ~ 94% (flyback passivo), NET = 75%
BLDC: ~ 93%, inversor: ~ 97% (flyback síncrono ou controle histérico), NET = 90%
Indução: ~ 91%: inversor: 97% (flyback síncrono ou controle histérico), LÍQUIDO = 88%

- Desgaste / Serviço:
Escova DC: Escovas sujeitas a desgaste; requer substituição periódica. Rolamentos.
BLDC: Rolamentos (vida útil)
Indução: Rolamentos (vida útil)

- Custo específico (custo por kW), incluindo o inversor
Escova CC: Baixo - o motor e o controlador são geralmente baratos
BLDC: Ímãs permanentes de alta potência são muito caros
Indução: Moderada - inversores aumentam o custo, mas o motor é barato

-
Escova de rejeição de calor DC: Os enrolamentos no rotor tornam a remoção de calor do rotor e do comutador um desafio para os motores de alta potência.
BLDC: Os enrolamentos no estator tornam a rejeição de calor direta. Os ímãs no rotor têm aquecimento induzido por corrente de Foucault moderada.
Indução: Os enrolamentos no estator tornam a rejeição do calor do estator direta. As correntes induzidas no rotor podem exigir o resfriamento do óleo em aplicações de alta potência (entrada e saída pelo eixo, sem respingos).

- Comportamento de torque / velocidade
Escova DC: torque de velocidade zero teoricamente infinito, o torque cai com o aumento da velocidade. As aplicações automotivas com escova DC geralmente requerem relações de engrenagem de 3-4 para abranger toda a gama automotiva de grau e velocidade máxima. Eu dirigi um EV motorizado de 24kW DC por vários anos que poderia acender os pneus de uma parada (mas lutava para chegar a 65 MPH).
BLDC: Torque constante até a velocidade base, potência constante até a velocidade máxima. As aplicações automotivas são viáveis ​​com uma caixa de velocidades de relação única.
Indução: torque constante até a velocidade base, potência constante até a velocidade máxima. As aplicações automotivas são viáveis ​​com uma caixa de velocidades de relação única. Pode levar centenas de ms para que o torque seja construído após a aplicação da corrente

- Diversos:
Brush DC: Em altas tensões, o arco do comutador pode ser problemático. Os motores Brush DC são canonicamente usados ​​em aplicações de carrinho de golfe e empilhadeira (24V ou 48V), embora os modelos mais recentes sejam de indução devido à maior eficiência. A frenagem regenerativa é complicada e requer um controlador de velocidade mais complexo.
BLDC: O custo dos ímãs e os desafios de montagem (os ímãs são MUITO poderosos) tornam os motores BLDC viáveis ​​para aplicações de baixa potência (como os dois motores / geradores Prius). A frenagem regenerativa vem essencialmente de graça.
Indução: o motor é relativamente barato de fabricar e a eletrônica de potência para aplicações automotivas diminuiu significativamente de preço nos últimos 20 anos. A frenagem regenerativa vem essencialmente de graça.

Novamente, este é apenas um resumo de nível superior de alguns dos principais drivers de design para seleção de motores. Omiti intencionalmente potência específica e torque específico, pois eles tendem a variar muito mais com a implementação real.

... e agora por que a Tesla usa motores de indução

As outras respostas são excelentes e chegam às razões técnicas. Depois de seguir a Tesla e o mercado de veículos elétricos em geral por muitos anos, eu gostaria de responder à sua pergunta sobre por que a Tesla usa motores de indução.

fundo

Elon Musk (co-fundador da Tesla) vem do pensamento do Vale do Silício (SV), onde "mover-se rápido e quebrar as coisas" é o mantra. Quando ele sacou o PayPal por várias centenas de milhões, ele decidiu atacar (exploração espacial e) veículos elétricos. Em SV-land, tempo / velocidade para fazer as coisas são tudo, então ele procurou em volta para encontrar algo que pudesse usar como ponto de partida para dar um salto inicial.

JB Straubel era um engenheiro com a mesma mentalidade (espaço e VE) que procurou Musk logo depois que Musk tornou seu interesse no espaço e público em EV.

Durante sua primeira reunião de almoço, Straubel mencionou uma empresa chamada AC Propulsion que havia desenvolvido um protótipo de carro esportivo elétrico usando uma estrutura de kit. Já em sua segunda geração, havia recentemente mudado para o uso de baterias de íon-lítio, tinha um alcance de 250 milhas, ofereceu muito torque, podia chegar a 0-60 em menos de 4 segundos, mas, mais relevante para essa discussão, usou - - você adivinhou - Propulsão CA (motor de indução).

Musk visitou a AC Propulsion e saiu muito impressionado. Ele tentou por alguns meses convencer a AC Propulsion a comercializar o veículo elétrico, mas eles não tinham interesse em fazê-lo naquele momento.

Tom Gage, presidente da AC Propulsion, sugeriu que Musk unisse forças com outro pretendente composto por Martin Eberhard, Marc Tarpenning e Ian Wright. Eles concordaram em unir seus esforços, com Musk se tornando presidente e chefe geral de design de produtos, Eberhard se tornando CEO e Straubel se tornando CTO da nova empresa que eles chamaram de "Tesla Motors".

A resposta

Então, aí está, Tesla usa indução principalmente porque o primeiro protótipo viável que Musk viu o usou. A inércia (sem trocadilhos ... ok, um pouco) explica o resto ("Se não está quebrado ...").

Agora, por que a AC Propulsion a usou no protótipo Tzero, veja as outras respostas ... ;-)

Se você quiser a história completa, clique aqui ou aqui .

É difícil dizer quais foram as razões exatas dos engenheiros sem estar na equipe de design, mas aqui estão alguns pensamentos:

1. Ambos os motores requerem acionamentos semelhantes. Os motores DC escovados podem funcionar diretamente com uma bateria, mas o tipo de motor que você está vendo em um veículo elétrico é um motor DC sem escova. Os acionamentos de um motor de indução e de um motor CC sem escova são muito semelhantes. O controle de um motor de indução é provavelmente mais complexo em geral.

2. Os motores sem escova CC têm ímãs no rotor. Isso é mais caro do que um rotor de indução com cobre. Além disso, o mercado de ímãs é muito volátil. Por outro lado, um motor de indução terá muito mais calor produzido no rotor devido a perdas de I²R e perdas de núcleo.

3. O torque de partida no motor sem escova é geralmente mais alto do que nos motores de indução.

4. O pico de eficiência do brushless é geralmente mais alto do que os motores de indução, mas acredito que li em algum lugar que a Tesla obtém uma eficiência média mais alta com seu motor de indução do que obteria com um brushless. Infelizmente, não me lembro onde li isso.

5. Muitas pessoas estão pesquisando máquinas de relutância comutadas agora. As últimas conferências sobre motores em que estive foram sobre relutância trocada. Eles não exigem ímãs e a eficiência desses tipos de motores parece promissora. Todo mundo quer se afastar dos ímãs nos motores.

Então, como eu disse, duvido que alguém possa responder sua pergunta, exceto os engenheiros da Tesla. Mas o meu melhor palpite é que provavelmente tenha algo a ver com o meu ponto 4), mas não sei ao certo. Tenho certeza de que a volatilidade dos preços dos ímãs também tem algo a ver com isso.

A resposta vem do pessoal da equipe da Tesla no artigo Indução versus motores sem escova DC

Esta parte é particularmente notável:

Em uma unidade sem escovas ideal, a força do campo magnético produzido pelos ímãs permanentes seria ajustável. Quando o torque máximo é necessário, especialmente em baixas velocidades, a força do campo magnético (B) deve ser máxima - para que as correntes do inversor e do motor sejam mantidas nos valores mais baixos possíveis. Isso minimiza as perdas de I²R (resistência atual2) e, assim, otimiza a eficiência. Da mesma forma, quando os níveis de torque são baixos, o campo B deve ser reduzido de modo que as perdas por redemoinhos e histerese devido a B também sejam reduzidas. Idealmente, B deve ser ajustado de modo que a soma das perdas por redemoinho, histerese e I² seja minimizada. Infelizmente, não há maneira fácil de alterar B com ímãs permanentes.

Por outro lado, as máquinas de indução não possuem ímãs e os campos B são "ajustáveis", pois B é proporcional a V / f (tensão à frequência). Isso significa que, com cargas leves, o inversor pode reduzir a tensão, reduzindo as perdas magnéticas e maximizando a eficiência. Assim, a máquina de indução, quando operada com um inversor inteligente, tem uma vantagem sobre uma máquina sem escovas de corrente contínua - perdas magnéticas e de condução podem ser negociadas de modo a otimizar a eficiência. Essa vantagem se torna cada vez mais importante à medida que o desempenho aumenta. Com o CC sem escova, à medida que o tamanho da máquina aumenta, as perdas magnéticas aumentam proporcionalmente e a eficiência da carga parcial diminui. Com a indução, à medida que o tamanho da máquina aumenta, as perdas não necessariamente aumentam. Assim, os acionamentos de indução podem ser a abordagem preferida onde se deseja alto desempenho;

Ímãs permanentes são caros - algo como US $ 50 por quilograma. Os rotores de ímã permanente (PM) também são difíceis de manusear devido a forças muito grandes que entram em ação quando algo ferromagnético se aproxima deles. Isso significa que os motores de indução provavelmente manterão uma vantagem de custo em relação às máquinas PM. Além disso, devido às capacidades de enfraquecimento de campo das máquinas de indução, as classificações e os custos do inversor parecem ser mais baixos, especialmente para inversores de alto desempenho. Como as máquinas de indução giratória produzem pouca ou nenhuma voltagem quando são excitadas, elas são mais fáceis de proteger.

TODOS os motores elétricos rotativos são motores CA. Cada um deles.
Além disso, no fundo, eles estão essencialmente fazendo a mesma coisa. A diferença é como o DC é transformado em CA e como é usado para produzir um resultado padrão.

O único motor que é eletronicamente CC é o motor da escova. O CC é transformado em CA pelo comutador rotativo e pelas escovas fixas. Além desse motor, todos os outros precisarão de alguma forma de conversão de corrente contínua em corrente alternada. O motor da escova geralmente não é atraente, pois o comutador mecânico de CC para CA (comutador) é relativamente caro e com vida útil relativamente curta.

Portanto, para um Tesla ou outro veículo elétrico, a escolha não é CC ou CA, mas qual a forma de motor CA que melhor atende aos objetivos do projeto com custo reduzido.

O Tesla usará o que faz porque alcançou os objetivos de design com a melhor relação custo-benefício.

Os votos negativos sugerem que várias pessoas concordam com Marcus e pensam que a resposta acima é óbvia. Um pouco de reflexão e uma análise das minhas respostas em geral podem sugerir uma falta de entendimento por parte dos que rejeitam.

Todos os motores elétricos rotativos são motores CA

• Se você acha que esse ponto é óbvio, precisa pensar mais sobre o que um carro elétrico faz em geral.

Vamos ver se os votantes negativos têm coragem de ler o seguinte e remover os votos negativos. Para mim, isso não importa. Na medida em que você engana outras pessoas, isso importa muito.

TODOS os motores elétricos rotativos exigem que um controlador aplique CA ao motor de alguma maneira.
A distinção entre motor CA e motor CC é útil em alguns contextos, mas em um automóvel que é um sistema fechado que começa com uma fonte de energia CC e termina com um motor elétrico rotativo, a distinção é falsa e não é útil. O carro é um sistema fechado. Em algum lugar do sistema, existe um controlador que converte o DC em AC de alguma forma. Não importa se ele é montado dentro do estator ou rotor do rotor, dentro da carcaça do motor, anexado à carcaça ou em outro local do carro.

Em um motor "CC" escovado, o "controlador" é um interruptor mecânico montado na extremidade do eixo do motor. Este controlador é \ nomeado um comutador, mas é funcionalmente um controlador que leva CC e cria uma perseguição ao seu campo magnético CA de cauda no que diz respeito aos enrolamentos no motor.

Um estator de enrolamento de rotor de ímã permanente "Motor CC sem escova" é muito semelhante funcionalmente a um motor CC escovado, com o comutador sendo substituído por interruptores e sensores eletrônicos que pegam a CC fornecida e a aplicam em vários campos para que possam perseguir sua cauda. o rotor gira. Novamente, é um motor CA com um controlador. Basta perguntar a qualquer enrolamento. Os sensores estão dentro do motor e os interruptores podem ser adjacentes ao motor ou remotos.

Um motor de indução de gaiola de esquilo adiciona um grau de complexidade ao usar a rotação de um ninho de enrolamentos de baixa impedância dentro do campo do estator para induzir tensão nas barras do rotor e criar um campo magnético que gira o rotor para perseguir o campo AC rotativo aplicado aos enrolamentos do estator. Novamente, ele tem DC monodirecional (mas com variação senoidal) durante qualquer parte da sequência do inversor. É um sistema misto de corrente contínua e alternada como qualquer outro.

Poder-se-ia, com relutância, descrever motores variáveis ​​de corrente de Foucault - mais do mesmo, mas diferentes. É um motor de corrente alternada com um controlador que o produz a partir de corrente contínua.

A distinção feita é irrelevante e trivial. A verdadeira questão é "por que Tesla usa essa forma particular de motor em vez de outra"? Que isso não é apenas semântica, mas uma falta de entendimento é demonstrada pela palavra

• ... que exigem o inversor de energia, em vez de DC, que é mais direto da bateria DC. Introduzir inveter significa mais custo (peso, controlador, ect.) ...

O único motor "CC" que não requer algum tipo de inversor ou sistema de comutação eletrônico é o motor escovado mecânico. Eles são tão inadequados para a tarefa de acionamentos de velocidade variável leves que haverá poucos ou nenhum usado nos projetos modernos de carros elétricos. TODOS os outros estilos de motor elétrico que não possuem inversor terão alguns componentes eletrônicos no lugar de um inversor.

Eu disse que ROTARY "motores elétricos são motores de corrente alternada porque é possível produzir um motor linear de motor CC sem escova com operação apenas de CC comutada, embora isso faça uso ineficiente do cobre e da magnética. Você poderia fazer isso com um motor rotativo, mas sem o mundo real motor em produção em volume faria isso.

Os motores CC não podem corresponder à densidade de potência das máquinas de corrente alternada. A força máxima de campo que até os melhores ímãs podem atingir é de 2,5 tesla no intervalo de ar e, para isso, é necessária uma engenharia séria, principalmente se você deseja girar rapidamente para aumentar sua densidade de potência. Máquinas de indução produzem confortavelmente 3 + tesla sem todo o sofrimento de ímãs e tolerâncias tolas. Obviamente, eles não fazem isso com a mesma eficiência das máquinas DC, mas quem disse que os carros esportivos são eficientes? Kg por kg, a máquina de indução CA é a mais poderosa de todos os tipos de máquina, quando controlada, compra um inversor sofisticado e opera em altas velocidades de rotação.

As reais razões pelas quais eles usam motores de indução para seus carros são:

1. motores de indução são mais baratos
2. motores de indução não precisam de muita manutenção (sem escovas)
3. motores de indução são mais leves
4. a nova tecnologia para controlar a velocidade dos motores de indução está agora disponível (tensão variável, frequência variável) e fácil de produzir em massa

IMHO, Propulsão CA (Tesla Motors) usa CA porque um motor CC comutado mecanicamente que atende à alta taxa de "desaceleração" de uma aplicação de veículo é mais complexo que um motor CA eletronicamente comutado. Sem essa alta taxa de abertura, o tamanho físico do motor produzindo apenas torque bruto seria proibitivo. O motor de indução, e não o PM, não é apenas mais estável financeiramente, mas também mais estável do ponto de vista da engenharia. Os ímãs podem e ficam danificados. O campo do eletroímã se enrola no rotor, não tanto e, como demonstram, a densidade de energia é semelhante.

Faço grande exceção ao aparente consenso de que "Todos os motores elétricos são CA" e baseio meu argumento em um movimento de pólo único, não na revolução completa do motor.

Dentro de um único movimento de polo, o único momento em que a CA é realmente necessária é quando é necessário induzir um fluxo de corrente em um enrolamento parasita, como no rotor dos motores de indução. Caso contrário, apenas a comutação é necessária.

Esse argumento pode ser melhor demonstrado pela observação de um motor na parada. Somente motores sem PM ou campos de enrolamento, que são motores de indução, precisam de CA para gerar a corrente de campo que cria o campo magnético reativo.

Todos os outros motores precisam apenas fornecer CC ao estator para gerar torque total na parada. Motores de campo ferido costumam usar CA para gerar o campo, mas também funcionam muito bem com CC, provavelmente com torque ainda maior do que quando estão em CA.

Meus motores "servo" PM podem estar cortando o DC para controlar a energia, mas eles estão cortando apenas o DC, não o invertendo a cada chop. Coloque um comutador mecânico no servo motor CA PM e ele funcionará em CC. É verdade que não é tão eficiente, mas não devido à falta de uma forma de onda sinusoidal. Também será limitado em velocidade máxima sem o uso de escova mecânica.

Passe algum tempo considerando as propriedades de estol de um motor duplamente enrolado, um motor obviamente "somente CA", quando fornecido com corrente contínua e talvez você possa entender meu argumento. Somente quando você deseja empurrar cada polo, além de puxá-lo, é necessário fornecer AC, caso contrário, DC é tudo o que você precisa e geralmente tudo o que está usando, mesmo que a fonte de alimentação seja CA.

Ardósia

Todos: Máquinas escovadas são limitadas a talvez 48V para evitar arcos. Por outro lado, uma máquina sem escova pode funcionar facilmente a partir de uma bateria de 240V, com tensão aumentada para 480V ou superior por um conversor de impulso CC posicionado entre a bateria e o motor. Com essa alta tensão, semelhante à usada na maioria dos carros híbridos ou plug-in atuais, as perdas do controle de velocidade são minimizadas em relação à potência total transferida, promovendo alta eficiência.

Na verdade, Tesla usa motores elétricos síncronos, que usam CA e CC. Se o motor usasse apenas CA, seria um motor de indução assíncrono, que é imprevisível para uso em veículos devido ao escorregamento no campo eletromagnético quando uma tensão é induzida no rotor (a velocidade de saída é mais lenta que a rotação do campo eletromagnético Fórmula: rotações por minuto = frequência * 60 / pares de pólos por fase - escorregamento na velocidade).

Em um motor síncrono, possui uma bobina de estator ampliada em CA (como um motor de indução convencional), mas também possui um rotor ampliado em CC (ao contrário de um motor de indução). Ao fazer isso, a velocidade de saída pode atingir a velocidade máxima teórica (a velocidade solar), que torna um motor previsível e eficaz para uso em veículos. (Fórmula: rotações por minuto = frequência * 60 / pares de pólos por fase).

Tesla pode então explorar isso e usar um ESC (Electronic Speed ​​Controller). Uma ESC é uma placa de circuito que inverte parte da energia CC da bateria em energia CA, altera as ondas quadradas em ondas sinusais, altera a frequência e a amplitude de acordo com os sinais do pedal do acelerador e envia a energia processada para o estator. Ele também altera a amplitude da energia CC no rotor, de acordo com a energia CA no estator.