Tesla штурмом взяла рынок электромобилей двумя сильнейшими преимуществами: её авто реже ломаются и дешевле в содержании.

Причиной стал мотор, основанный на принципах электромагнетизма, в котором меньше подвижных запчастей, не надо менять масло и дешевле топливо.

И хотя принцип его работы существует больше 100 лет, а основу этого мотора разработал в 20‑м веке русский учёный на разработках Николы Теслы, только новый двигатель в Tesla Model 3 произвёл настоящую революцию в электромобилях и помог выпустить по-настоящему массовую модель.

Ниже понятным языком расскажу, как работают двигатели в автомобилях Tesla, как команда Илона Маска переизобрела вековую технологию электромотора и почему Model 3 оказалась производительнее легендарной Model S.

Начнём с простой базы.

Как образом работает двигатель во всех электромобилях Tesla

Максимально упрощая, двигатель в автомобильных Tesla работает за счёт двух принципов магнетизма.

Свойство 1.
Если подвинуть один постоянный магнит к другому, второй начнёт двигаться. Это происходит, потому что оба магнита имеют поле с двумя полюсами.

Разные полюсы притягивают магниты, одинаковые друг от друга отталкивают.

Также некоторые металлы без магнитного поля тоже будут притягиваться к магниту. Такие металлы называются ферромагнитными.

Свойство 2.
Некоторые металлы не являются магнитами сами по себе, но если пусть сквозь них ток, то у них появится магнитное поле.

Такие металлы и материалы называются диамагнетными.

В зависимости от того, в какую сторону идёт ток в металле, будет меняться положение магнитных полюсов.

Такое устройство называют магнитом переменного тока или электромагнитом.

Эти элементарные правила приводят Tesla в движение и двигатель любого электромобила, не важно, какой конструкции, на этих свойствах основывается. Но дьявол, конечно, в деталях.

Почему Tesla хватило старых технологий для Model S

На мотор Tesla подаётся такое же трёхфазное напряжение, как и в большинстве современной техники

Два главных компонента электромотора автомобилей Tesla. Это строение придумал Никола Тесла и довёл до наиболее эффективного состояния с помощью трёхфазного тока Доливо‑Добровольский

В первых Tesla электричество превращало металл в магнит и крутило колёса

В первых моторах Tesla Roadster и Tesla Model S использовали асинхронный двигатель. Основу принципа его работы заложил Никола Тесла, но современную базу разработал Михаил Доливо‑Добровольский.

Суть его такова.

Двигатель состоит из двух элементов: подвижный ротор в центре и неподвижный статор вокруг него.

▪︎ Ротор представляет собой металлический цилиндр с толстыми прутьями по периметру, замкнутыми кольцами по обеим сторонам.

▪︎ Прутья расположены под углом и восприимчивы к магнитам. А статор содержит обмотки из металла, способного превращаться в магнит при подаче на него электричества.

▪︎ Когда на статор подаётся трёхфазное напряжение как на линиях электропередач в любой стране, медь превращается в магнит. Благодаря быстрым сменам фаз электричества его магнитное поле движется и заставляет двигать ротор. Машина едет.

Это абсолютно простейшее описание принципа работы мотора.

Асинхронным такой двигатель называется, потому что эффективно он может работать, только когда ротор вращается с отличной скоростью от магнитного поля статора, чтобы силы не отменяли друг друга.

Это расхождение называется скольжением. Оно необходимо для создания вращающего момента, которое приводит авто в движение.

Благодаря скольжению у асинхронного двигателя есть одно важное для электромобилей свойство.

Когда ротор вращается быстрее, чем статор, он электризует статор, тем самым генерируя энергию и заряжая батарею автомобиля.

⛔️ Хотя такие двигатели эффективны, скольжение асинхронного двигателя сложно контролировать, что приводит к потере энергии из-за необходимости постоянно избегать разницы в соотношении ротора и магнитного поля статора.

Это вызвало закономерную проблему для более дешёвого автомобиля.

Почему двигатель из Model S не подошёл дешёвой Model 3

Простота асинхронных моторов позволяет им десятки лет безотказно работать стиральных машинах и кондиционерах.

Но когда речь идёт о таком перезаряжаемом устройстве, как автомобиль, инженеры всегда ищут способ разработать более энергоэффективный двигатель.

Например, для поддержания корректного вращения ротора во время круиз-контроля на постоянной скорости тратится до 4% всей энергии автомобиля.

В Tesla Model 3 для снижения цены установлено на 21% меньше батарей (75 КВт против 95 КВт в Model S), что привело бы к совсем низким показателям дальности поездки на одном заряде.

В компании начали думать, как улучшить механизм.

Какую технологию решили использовать для Model 3. И почему не получилось с первого раза

Есть более эффективный мотор, в котором ядру ротора добавляют постоянные магниты. Они движутся одновременно с полем, давая более быстрый и менее затратный на энергию старт.

Такой двигатель называется синхронным.

За счёт наличия постоянного магнитного поля такой двигатель начинает быстрее двигаться, когда в статоре формируется электромагнитное поле.

Сложность была в том, чтобы сделать двигатель на основе этой технологии, который будет достаточно надёжным для использования в автомобилях.

Но и у этого решения в одиночку были минусы.

Такая технология идеально подходит для зажигания и разгона, но потребляет много энергии при движении с постоянной скоростью.

🔩 Из-за быстрого вращения магниты нужно зафиксировать так, чтобы из-за центробежной силы они не разлетелись и двигатель не разорвало.

🧲 К тому же постоянные магниты при быстром движении сами по себе вырабатывают электродвижущую силу, которая вырабатывает напряжение в статоре, обратное тому, которое поступает на него с батарей. Это снижает силу магнитного поля статора и дополнительно усиливает нагрев.

Несмотря на эти недостатки, при разработке Model 3 всё-так решили использовать этот синхронный двигатель, внутрь которого добавили постоянные магниты.

А вот проблемы надёжности и эффективности решили, тем, что сделали в роторе… дырки.

Как Tesla решила проблему нового двигателя для Model 3

Чтобы двигатель с постоянными магнитами был пригоден не только для разгона, но и в условиях постоянной скорости, В Tesla кроме размещения постоянных магнитов использовали ещё одно интересное свойство металлов.

Традиционный цилиндр из закольцованных металлических балок в роторе заменили на цельный сердечник из железа, в котором сделали полые V-образные вырезы.

Эти вырезы даже без постоянных магнитов позволяют ротору двигаться синхронно с магнитным полем статора благодаря низкой сопротивляемости железа к магнитному полю.

Внутри ротора благодаря этому формировалась особая структура, которая приходила в движение при наличии магнитного поля.

Такая механика идеально подходит для поддержания постоянной скорости во время движения.

Но такой механизм не годится для зажигания и старта автомобиля.

И тут в Tesla пришли к элементарному решению.

✅ Отверстия оказались отличным местом расположения постоянных магнитов из синхронного мотора, который отлично подходит ровно для ускорения.

Так получился новый ротор, который совмещает низкое сопротивление железа и эффект постоянных магнитов.

Угол, под которым магнитные поля ротора и статора соотносятся друг с другом, регулирует установленный прямо в двигателе компьютер.

Его алгоритмы – одно из главных достижений Tesla, благодаря которым у компании есть преимущество в эффективности автомобилей по распределению энергии.

Таким образом он задаёт положение магнитных полей при разных сценариях: зажигании, ускорении, торможении и поддержании скорости.

Это позволило уменьшить расход батарей в течение всей поездки и улучшило эффективность зажигания, на которое автомобили тратят больше всего энергии.

В этом двигателе ротор движется синхронно с магнитным полем статора для наибольшей эффективности взаимодействия постоянных магнитов, отверстий в железном ядре ротора и магнитного поля статора.

Именно поэтому двигатель назвали IPM synRM, что значит Internal Permanent Magnet, synchronous, Reluctance Motor или «Внутренний постоянный магнит, синхронный, магнитное сопротивление».

По сути, название просто перечисляет главные элементы, которые помогают двигателю работать с максимальной эффективностью.

Как Tesla планирует изменить двигатель ещё раз

Текущие постоянные магниты в моторах Tesla сделаны из неодима, который относится к редкоземельным и потому удорожает производство моторов автомобилей.

Ему на смену, вероятно, придёт более распространенный керамический феррит, который используется в колонках, электрогитарах, дрелях и дверцах холодильников.

Компания уже анонсировала переход на более доступные материалы.

Сейчас феррит не используют, потому что неодим имеет гораздо более сильное магнитное поле, и для той же силы притяжения придётся использовать больше феррита.

Это приведёт к снижению ускорения с 0 до 100 км/ч, рекордным показателем которых среди коммерческих авто известны Tesla.

Однако в, скажем, такси, этот параметр абсолютно не имеет значения для конечного пользователя.

И поэтому автономное Robotaxi ака Cybercab от Tesla будет идеальным кандидатом для запуска двигателя нового поколения.

• До ←

  В России начали ломаться айфоны с eSIM. Например, у абонентов Т-Мобайл (Тинькофф Мобайл)

• После →

  Что происходит с TikTok в США, главное кратко