¿Por qué un automóvil Tesla usa un motor de CA en lugar de uno de CC?

Estaba viendo un video de mega fábrica y me preguntaba por qué usan un motor de CA que requiere un inversor de corriente en lugar de CC, que puede alimentarse directamente de su batería de CC. La introducción de un inversor significa más costo (peso, controlador, etc.).

¿Hay alguna razón para eso? ¿Cuáles son las diferencias entre un motor de CA y CC que pueden haber llevado a esta decisión? ¿Alguien sabe qué tipo de motor se usa en otros autos eléctricos?

Está preguntando acerca de las compensaciones técnicas que rodean la selección de un motor de tracción para una aplicación de vehículo eléctrico. Describir el espacio comercial de diseño completo está mucho más allá de lo que razonablemente se puede resumir aquí, pero esbozaré las compensaciones de diseño prominentes para dicha aplicación.

Debido a que la cantidad de energía que puede almacenarse químicamente (es decir, en una batería) es bastante limitada, casi todos los vehículos eléctricos están diseñados teniendo en cuenta la eficiencia. La mayoría de los motores de tracción para aplicaciones de tránsito para aplicaciones automotrices varían entre 60kW y 300kW de potencia máxima. La ley de Ohms indica que las pérdidas de potencia en el cableado, los devanados del motor y las interconexiones de la batería son P = I ² R. Por lo tanto, reducir la corriente a la mitad reduce las pérdidas resistivas en 4x. Como resultado, la mayoría de las aplicaciones automotrices funcionan con un voltaje nominal de enlace de CC entre 288 y 360 V _nom (también hay otras razones para esta selección de voltaje, pero centrémonos en las pérdidas). El voltaje de suministro es relevante en esta discusión, ya que ciertos motores, como Brush DC, tienen límites superiores prácticos en el voltaje de suministro debido al arco del conmutador.

Ignorando las tecnologías de motores más exóticos como la reluctancia conmutada / variable, hay tres categorías principales de motores eléctricos utilizados en aplicaciones automotrices:

Motor DC de escobillas : conmutado mecánicamente, solo se requiere un simple 'chopper' de CC para controlar el par. Mientras que los motores Brush DC pueden tener imanes permanentes, el tamaño de los imanes para aplicaciones de tracción los hace prohibitivos. Como resultado, la mayoría de los motores de tracción de CC están enrollados en serie o en derivación. En dicha configuración, hay devanados tanto en el estator como en el rotor.

Motor DC sin escobillas (BLDC): conmutado electrónicamente por inversor, imanes permanentes en el rotor, bobinados en el estator.

Motor de inducción : conmutado electrónicamente por inversor, rotor de inducción, bobinados en el estator.

A continuación se presentan algunas generalizaciones descaradas con respecto a las compensaciones entre las tres tecnologías motoras. Hay muchos ejemplos de puntos que desafiarán estos parámetros; mi objetivo es solo compartir lo que consideraría valores nominales para este tipo de aplicación.

- Eficiencia:
Brush DC: Motor: ~ 80%, controlador DC: ~ 94% (retorno pasivo), NET = 75%
BLDC: ~ 93%, inversor: ~ 97% (retorno sincrónico o control histérico), NET = 90%
Inducción: ~ 91%: inversor: 97% (retorno síncrono o control de histéresis), NET = 88%

- Desgaste / Servicio:
cepillo DC: cepillos sujetos a desgaste; requieren reemplazo periódico. Aspectos.
BLDC: Rodamientos (vida útil)
Inducción: Rodamientos (vida útil)

- Coste específico (coste por kW), incluyendo inversor
Brush DC: Low - motor y el controlador son generalmente de bajo costo
BLDC: alta - alta potencia imanes permanentes son muy caros
de inducción: Moderado - inversores añaden costes, pero el motor es barato

-
Cepillo DC de rechazo de calor : los devanados en el rotor hacen que la eliminación de calor tanto del rotor como del conmutador sea un desafío para los motores de alta potencia.
BLDC: los devanados en el estator hacen que el rechazo de calor sea sencillo. Los imanes en el rotor tienen calentamiento inducido por corriente parásita baja-moderada
Inducción: los devanados en el estator hacen que el rechazo de calor del estator sea sencillo. Las corrientes inducidas en el rotor pueden requerir enfriamiento de aceite en aplicaciones de alta potencia (entrada y salida a través del eje, no salpicadas).

- Comportamiento de par / velocidad
Cepillo DC: teóricamente infinito par de velocidad cero, el par cae al aumentar la velocidad. Las aplicaciones automotrices de DC con escobillas generalmente requieren relaciones de engranaje de 3-4 para abarcar todo el rango automotriz de grado y velocidad máxima. Conduje un EV de 24kW con motor de corriente continua durante varios años que podía encender los neumáticos desde un punto muerto (pero luché para llegar a 65 MPH).
BLDC: par constante hasta la velocidad base, potencia constante hasta la velocidad máxima. Las aplicaciones automotrices son viables con una caja de engranajes de relación única.
Inducción: par constante hasta la velocidad base, potencia constante hasta la velocidad máxima. Las aplicaciones automotrices son viables con una caja de engranajes de relación única. Puede tomar cientos de ms para que el par se acumule después de la aplicación de corriente

- Varios:
Brush DC: a altos voltajes, el arco del conmutador puede ser problemático. Los motores DC con escobillas se utilizan canónicamente en aplicaciones de carros de golf y carretillas elevadoras (24 V o 48 V), aunque los modelos más nuevos son de inducción debido a la eficiencia mejorada. El frenado regresivo es complicado y requiere un controlador de velocidad más complejo.
BLDC: el costo del imán y los desafíos de ensamblaje (los imanes son MUY potentes) hacen que los motores BLDC sean viables para aplicaciones de menor potencia (como los dos motores / generadores Prius). El frenado regresivo es esencialmente gratis.
Inducción: el motor es relativamente barato de fabricar, y la electrónica de potencia para aplicaciones automotrices ha bajado de precio significativamente en los últimos 20 años. El frenado regresivo es esencialmente gratis.

Nuevamente, este es solo un resumen de alto nivel de algunos de los principales controladores de diseño para la selección de motores. He omitido intencionalmente potencia específica y par específico, ya que tienden a variar mucho más con la implementación real.

... y ahora por qué Tesla usa motores de inducción

Las otras respuestas son excelentes y llegan a las razones técnicas. Después de haber seguido a Tesla y al mercado de vehículos eléctricos en general durante muchos años, me gustaría responder a su pregunta de por qué Tesla usa motores de inducción.

Antecedentes

Elon Musk (cofundador de Tesla) proviene del pensamiento de Silicon Valley (SV), donde "moverse rápido y romper cosas" es el mantra. Cuando retiró PayPal por varios cientos de millones, decidió abordar (exploración espacial y) vehículos eléctricos. En SV-land, el tiempo / velocidad para hacer las cosas lo es todo, por lo que buscó algo que pudiera usar como punto de partida para comenzar.

JB Straubel era un ingeniero de ideas afines (tanto espacial como EV) que se acercó a Musk poco después de que Musk hiciera público su interés en el espacio y EV.

Durante su primera reunión de almuerzo, Straubel mencionó una compañía llamada AC Propulsion que había desarrollado un prototipo de auto deportivo eléctrico utilizando un marco de auto. Ya en su segunda generación, recientemente había cambiado a usar baterías de iones de litio, tenía un alcance de 250 millas, ofrecía mucho torque, podía ir de 0 a 60 en menos de 4 segundos, pero, lo más relacionado con esta discusión, usaba: - lo has adivinado - AC Propulsión (motor de inducción).

Musk visitó AC Propulsion y salió muy impresionado. Intentó durante unos meses convencer a AC Propulsion para que comercializara el vehículo eléctrico, pero no tenían interés en hacerlo en ese momento.

Tom Gage, presidente de AC Propulsion, sugirió que Musk uniera fuerzas con otro pretendiente formado por Martin Eberhard, Marc Tarpenning e Ian Wright. Acordaron fusionar sus esfuerzos, con Musk convirtiéndose en presidente y jefe general de diseño de producto, Eberhard en CEO y Straubel en CTO de la nueva compañía a la que llamaron "Tesla Motors".

La respuesta

Así que ahí lo tienes, Tesla usa inducción principalmente porque el primer prototipo viable que Musk vio lo usó. La inercia (sin juego de palabras ... ok, un poco) explica el resto ("Si no está roto ...").

Ahora, por qué AC Propulsion lo usó en su prototipo Tzero, vea las otras respuestas ... ;-)

Si quieres la historia completa ve aquí o aquí .

Es difícil decir cuáles fueron las razones exactas de los ingenieros sin estar en el equipo de diseño, pero aquí hay algunas ideas:

1. Ambos motores requieren accionamientos similares. Los motores de CC cepillados pueden funcionar directamente con una batería, pero el tipo de motor que está viendo en un vehículo eléctrico es un motor de CC sin escobillas. Los accionamientos para un motor de inducción y un motor de CC sin escobillas son muy similares. El control de un motor de inducción es probablemente más complejo en general.

2. Los motores de CC sin escobillas tienen imanes en el rotor. Esto es más costoso que un rotor de inducción con cobre. Además, el mercado de imanes es muy volátil. Por otro lado, un motor de inducción producirá mucho más calor en el rotor debido a las pérdidas de I²R y las pérdidas del núcleo.

3. El par de arranque en el motor sin escobillas es generalmente mayor que en los motores de inducción.

4. La eficiencia máxima de las máquinas sin escobillas es generalmente mayor que la de los motores de inducción, pero creo que leí en alguna parte que Tesla obtiene una eficiencia promedio más alta con su motor de inducción que con una máquina sin escobillas. Sin embargo, desafortunadamente no puedo recordar dónde lo leí.

5. Mucha gente está investigando máquinas de reluctancia conmutada ahora. Las últimas conferencias de motor en las que he estado se han centrado en la renuencia conmutada. No requieren imanes y la eficiencia en este tipo de motores parece prometedora. Todos quieren alejarse de los imanes en los motores.

Entonces, como dije, dudo que alguien pueda responder su pregunta, excepto los ingenieros de Tesla. Pero mi mejor suposición es que probablemente tenga algo que ver con mi punto 4), pero no lo sé con certeza. Estoy seguro de que la volatilidad de los precios de los imanes también tiene algo que ver con eso.

La respuesta proviene del personal de Tesla en el artículo Inducción versus motores sin escobillas DC

Esta parte es particularmente notable:

En un accionamiento sin escobillas ideal, la intensidad del campo magnético producido por los imanes permanentes sería ajustable. Cuando se requiere un par máximo, especialmente a bajas velocidades, la intensidad del campo magnético (B) debe ser máxima, de modo que las corrientes del inversor y del motor se mantengan en sus valores más bajos posibles. Esto minimiza las pérdidas de I² R (resistencia de corriente²) y, por lo tanto, optimiza la eficiencia. Del mismo modo, cuando los niveles de par son bajos, el campo B debe reducirse de modo que las pérdidas por remolinos e histéresis debidas a B también se reduzcan. Idealmente, B debería ajustarse de tal manera que la suma de las pérdidas de Foucault, histéresis e I² se minimice. Desafortunadamente, no hay una manera fácil de cambiar B con imanes permanentes.

En contraste, las máquinas de inducción no tienen imanes y los campos B son "ajustables", ya que B es proporcional a V / f (voltaje a frecuencia). Esto significa que con cargas ligeras, el inversor puede reducir el voltaje de manera que se reducen las pérdidas magnéticas y se maximiza la eficiencia. Por lo tanto, la máquina de inducción cuando se opera con un inversor inteligente tiene una ventaja sobre una máquina sin escobillas de CC: las pérdidas magnéticas y de conducción se pueden intercambiar de manera que se optimice la eficiencia. Esta ventaja se vuelve cada vez más importante a medida que aumenta el rendimiento. Con DC sin escobillas, a medida que aumenta el tamaño de la máquina, las pérdidas magnéticas aumentan proporcionalmente y la eficiencia de la carga parcial disminuye. Con la inducción, a medida que aumenta el tamaño de la máquina, las pérdidas no necesariamente aumentan. Por lo tanto, las unidades de inducción pueden ser el enfoque preferido cuando se desea un alto rendimiento;

Los imanes permanentes son caros, algo así como $ 50 por kilogramo. Los rotores de imanes permanentes (PM) también son difíciles de manejar debido a fuerzas muy grandes que entran en juego cuando algo ferromagnético se acerca a ellos. Esto significa que los motores de inducción probablemente retendrán una ventaja de costo sobre las máquinas PM. Además, debido a las capacidades de debilitamiento de campo de las máquinas de inducción, las clasificaciones y los costos del inversor parecen ser más bajos, especialmente para unidades de alto rendimiento. Dado que las máquinas de inducción giratorias producen poco o ningún voltaje cuando se desexcitan, son más fáciles de proteger.

TODOS los motores eléctricos rotativos son motores de CA. Cada uno de ellos.
Además, en el fondo esencialmente están haciendo lo mismo. La diferencia es cómo la CC se convierte en CA y cómo se acostumbra a producir un resultado estándar.

El único motor que es electrónicamente DC es el motor del cepillo. El conmutador giratorio y las escobillas fijas convierten la CC en CA. Aparte de ese motor, todos los demás necesitarán alguna forma de conversión de CC a CA. El motor del cepillo generalmente no es atractivo porque el cambiador mecánico de CC a CA (conmutador) es relativamente costoso y de vida relativamente corta.

Entonces, para un Tesla u otro vehículo eléctrico, la elección no es CC o CA, sino qué forma de motor de CA cumple mejor con los objetivos de diseño de manera rentable.

El Tesla utilizará lo que hace porque cumplió los objetivos de diseño de manera más rentable.

Las votaciones negativas sugieren que varias personas están de acuerdo con Marcus y piensan que la respuesta anterior es poco convincente. Un poco de reflexión y un vistazo a mis respuestas en general pueden sugerir una falta de comprensión por parte de los votantes negativos.

Todos los motores eléctricos rotativos son motores de corriente alterna.

• Si crees que este punto es un punto crítico, entonces debes pensar más en lo que hace un auto eléctrico en general.

Veamos si los votantes negativos tienen las agallas para leer lo siguiente y luego eliminan sus votos negativos. Para mí no importa. En la medida en que engañas a otras personas, es muy importante.

TODOS los motores eléctricos rotativos requieren un controlador para aplicar CA al motor de alguna manera.
La distinción entre motor de CA y motor de CC es útil en algunos contextos, pero en un automóvil que es un sistema cerrado que comienza con una fuente de energía de CC y termina con un motor eléctrico rotativo, la distinción es falsa y no es útil. El auto es un sistema cerrado. En algún lugar del sistema hay un controlador que convierte la CC a CA de alguna forma. No importa si está montado dentro del estator o rotor del rotor, dentro de la carcasa del motor, conectado a la carcasa o en algún otro lugar del automóvil.

En un motor "DC" cepillado, el "controlador" es un interruptor mecánico montado en el extremo del eje del motor. Este controlador se llama un conmutador, pero funcionalmente es un controlador que toma CC y crea un campo magnético de CA de cola en cuanto a los devanados en el motor.

Un estator bobinado de imán permanente "Motor de CC sin escobillas" es muy similar funcionalmente a un motor de CC cepillado, con el conmutador reemplazado por interruptores electrónicos y sensores que toman la CC suministrada y la aplican a varios campos para que puedan perseguir su cola como El rotor gira. De nuevo, es un motor de CA con un controlador. Solo pregunte a cualquier bobina. Los sensores están dentro del motor propiamente dicho y los interruptores pueden estar adyacentes al motor propio o remoto.

Un motor de inducción de jaula de ardilla agrega un grado de complejidad al usar la rotación de un nido de devanados de baja impedancia dentro del campo del estator para inducir voltaje en las barras del rotor y hacer un campo magnético que gire el rotor para que persiga el campo de CA giratorio aplicado a los devanados del estator. De nuevo, tiene DC monodireccional (pero sinusoidalmente variable) durante cualquier parte de la secuencia de accionamiento. Es tanto un sistema mixto de CC y CA como cualquier otro.

Uno podría describir a regañadientes motores de accionamiento de corriente parásita variable, más de lo mismo pero diferentes. Es un motor de CA con un controlador que lo produce a partir de CC.

La distinción que se hace es irrelevante y trivial. La verdadera pregunta es "¿por qué Tesla usa esta forma particular de motor en lugar de alguna otra?". La palabra no demuestra que esto no es solo semántica, sino una falta de comprensión.

• ... que requieren el inversor de potencia, en lugar de CC que más directamente de la batería de CC. Introducir inveter significa más costo (peso, controlador, etc.) ...

El único motor "DC" que no requiere algún tipo de inversor o sistema de conmutación electrónica es el motor mecánico cepillado. Estos son tan inadecuados para la tarea de unidades de velocidad variable de peso liviano que habrá pocos o ninguno utilizado en los diseños modernos de automóviles eléctricos. Todos los demás estilos de motor eléctrico que no tienen inversor tendrán algunos electrones en lugar de un inversor.

Dije ROTARY "los motores eléctricos son motores de CA porque podría decirse que se puede producir un motor lineal de motor de CC sin escobillas con operación de CC conmutada solamente, aunque esto haría un uso ineficiente del cobre y los imanes. Se podría hacer eso con un motor rotativo pero no en el mundo real motor en volumen de producción lo haría.

Los motores de CC no pueden igualar la densidad de potencia de las máquinas de corriente alterna. La intensidad de campo máxima que incluso los mejores imanes pueden alcanzar es de 2.5 teslas en el entrehierro y para hacer esto se requiere una ingeniería seria, especialmente si desea rotar rápidamente para que su densidad de potencia sea alta. Las máquinas de inducción producen cómodamente 3+ tesla sin todo el dolor de los imanes y las tolerancias tontas. Obviamente no hacen esto como máquinas DC de manera eficiente, pero ¿quién dijo que los autos deportivos eran eficientes? Kg por kg, la máquina de inducción de CA es la más potente de todos los tipos de máquinas cuando se controla, compra un inversor sofisticado y funciona a altas velocidades de rotación.

Las razones reales por las que usan motores de inducción para sus automóviles son:

1. los motores de inducción son más baratos
2. Los motores de inducción no necesitan mucho mantenimiento (sin cepillos)
3. los motores de inducción son más livianos
4. La nueva tecnología para controlar la velocidad de los motores de inducción ahora está disponible (voltaje variable, frecuencia variable) y fácil de producir en masa

En mi humilde opinión, la propulsión de CA (Tesla Motors) usa CA porque un motor de CC conmutado mecánicamente que cumple con la alta relación de "bajada" de una aplicación de vehículo es más complejo que un motor de CA conmutado electrónicamente. Sin esa alta relación de reducción, el tamaño físico del motor que produce solo un par bruto sería prohibitivo. El motor de inducción en lugar del motor PM no solo es más estable financieramente, sino también más estable desde el punto de vista de la ingeniería. Los imanes pueden y se dañan. El campo del electroimán se enrolla en el rotor, no tanto y, como demuestran, la densidad de energía es similar.

Tomo una gran excepción al aparente consenso de que "Todos los motores eléctricos son CA" y baso mi argumento en un movimiento de un solo polo, no en la revolución completa del motor.

Dentro de un movimiento de un solo polo, el único momento en que realmente se requiere CA es cuando es necesario inducir un flujo de corriente en un devanado parásito, como en el rotor de los motores de inducción. De lo contrario, solo es necesaria la conmutación.

Este argumento se puede mostrar mejor observando un motor en parada. Solo los motores sin PM o campos bobinados, que son motores de inducción, necesitan CA para generar la corriente de campo que crea el campo magnético reactivo.

Todos los demás motores solo necesitan proporcionar CC al estator para generar un par completo en la parada. Los motores de campo herido a menudo usan CA para generar el campo, pero también funcionarán bien con CC, probablemente con incluso más torque que cuando están en CA.

Mis motores "servo" PM pueden cortar la CC para controlar la potencia, pero solo cortan la CC, no la invierten con cada corte. Coloque un conmutador mecánico en el servomotor AC PM y funcionará en DC. Es cierto, no tan eficiente pero no por la falta de una forma de onda sinusoidal. También estará limitado en la velocidad máxima sin un cepillo mecánico Advancer.

Dedique un tiempo a considerar las propiedades de bloqueo de un motor doblemente bobinado, obviamente un motor "AC solamente", cuando se suministra con DC y tal vez podrá comprender mi argumento. Solo cuando desea empujar cada polo además de tirar de él, debe proporcionar CA, de lo contrario, CC es todo lo que necesita y, a menudo, todo lo que está utilizando, incluso si la fuente de alimentación es CA.

Pizarra

Todos: las máquinas cepilladas se limitan a quizás 48 V para evitar arcos. Por el contrario, una máquina sin escobillas puede funcionar fácilmente con una batería de 240 V, con un voltaje aumentado a 480 V o más mediante un convertidor de refuerzo de CC ubicado entre la batería y el motor. Con un voltaje tan alto, similar al utilizado en la mayoría de los automóviles híbridos o enchufables de la actualidad, las pérdidas del control de velocidad se minimizan en relación con la potencia total transferida, promoviendo así una alta eficiencia.

En realidad, Tesla utiliza motores eléctricos síncronos, que utilizan CA y CC. Si el motor usara solo CA, sería un motor de inducción asíncrono, que es un motor impredecible para usar en vehículos debido al deslizamiento en el campo electromagnético cuando se induce un voltaje en el rotor (la velocidad de salida es más lenta que la rotación del motor). campo electromagnético Fórmula: revoluciones por minuto = frecuencia * 60 / pares de polos por fase - velocidad de deslizamiento).

En un motor síncrono tiene una bobina de estator magnificado de CA (como un motor de inducción convencional), pero también tiene un rotor magnificado de CC (a diferencia de un motor de inducción). Al hacer esto, la velocidad de salida puede alcanzar la velocidad máxima teórica (la velocidad sincrónica) que hace que un motor predecible y efectivo se use en vehículos. (Fórmula: revoluciones por minuto = frecuencia * 60 / pares de polos por fase).

Tesla puede explotar esto y usar un ESC (Controlador electrónico de velocidad). Un ESC es una placa de circuito que invierte una parte de la energía de CC de la batería a energía de CA, cambia las ondas cuadradas a ondas sinusales, cambia la frecuencia y la amplitud de acuerdo con las señales del pedal del acelerador y envía la potencia procesada. al estator. También cambia la amplitud de la potencia de CC al rotor en línea con la potencia de CA al estator.