Moteur triphasé triphasé triphasé de Tesla – Pourquoi le moteur à induction du XIXe siècle de Nikola Tesla est-il le choix idéal pour la voiture électrique du XXIe siècle? – Mobilité Urbaine

Des voitures

Publié le 30 mai 2016 |
par Steve Bakker

30 mai 2016 par Steve Bakker


Pop quiz: Vous êtes à un cocktail. Inévitablement, la conversation se tourne vers les voitures électriques. Un membre attrayant du sexe opposé se penche vers vous, vous considère comme une personne connaissant leurs amplis par leur volt, dirige deux yeux bleus de chambre à coucher dans votre direction qui vous brûlent un trou comme un rayon laser et , voix suggestive dit: «Hey, quoi de neuf avec Tesla Motors utilisant un moteur à induction triphasé 4 pôles pour alimenter leurs voitures? Pourquoi ont-ils emprunté cette voie?

Toujours en train de récupérer du regard, vous répondez avec un balbutiement Elon-esque: "Euh … euh … oui, je … je peux tout vous raconter." À mesure que votre cerveau se libère, la réponse vous échappe comme une poésie. Bientôt, vous et votre inquisiteur êtes sur la piste de danse pour faire de la belle musique ensemble.

Sauf si vous étiez un idiot et avez oublié de préparer une telle enquête avant de mettre votre smoking. C’est là que ce «Guide de base pour le moteur à induction triphasé triphasé à 4 pôles» entre en jeu. C’est une étude rapide sur la façon de répondre à cette question. De plus, ce guide pratique vous apprend à répondre avec une réponse correspondant au niveau geek précis du questionneur. Vous voulez éviter de submerger votre connaissance avec des minuties excessives qui tuent l’humeur … mais vous ne voulez pas manquer de détails s’ils sont sollicités. C’est tout autant un obstacle.

Commençons par les bases. La réponse la plus courte possible à la question de savoir pourquoi Tesla Motors utilise un moteur à induction triphasé à 4 pôles pour alimenter toutes ses voitures est bien sûr «parce que». Si cela fonctionne, pas de problème. Déplacez-vous sur la piste de danse. Si une réponse supplémentaire est requise, une réponse légèrement plus élaborée parce que est que le prototype EV auquel Tesla Motors a concédé cette technologie utilisait déjà un moteur à courant alternatif. En outre, il a été souligné que, si un moteur à courant continu avait été utilisé, Tesla Motors ne pourrait pas s'appeler Tesla Motors, étant donné que Nikola Tesla était en courant alternatif et non en courant continu.

Geek Niveau 1

Si des explications supplémentaires sont nécessaires, vous avez probablement affaire à un geek de différentes magnitudes. Alors passons à la vitesse supérieure. Il est temps de fournir à cette personne les avantages réels du moteur à induction AC par rapport à votre équivalent CC jardinier. Elles sont:

  • Conception simplifiée
  • Moindre coût
  • Moins de pièces
  • Plus grande fiabilité
  • Moins de chance de fluctuations des prix des matières premières et de pénuries

Une des raisons de la plus grande fiabilité est qu’une pièce trouvée sur des moteurs à courant continu de style ancien appelée brosse a une vie limitée. Une paire de brosses engagent physiquement un arbre en rotation et des frottements se produisent. Ainsi, les balais s'usent bien avant que la fin de vie du moteur ne soit atteinte.

Les autres parties importantes éliminées étaient des aimants permanents. Les aimants souvent utilisés dans les moteurs électriques sont des aimants appelés terres rares, qui sont assez puissants. La Chine possède la majeure partie des gisements de terres rares et, dans le passé, limitait leurs exportations. En plus d'être coûteux, les aimants permanents ajoutent généralement du poids au moteur, sont sujets à la démagnétisation et à la rupture, et il existe des alternatives permettant un meilleur contrôle des champs magnétiques qu'ils produisent. En fait, c’est le courant alternatif qui se substitue aux aimants.

Ainsi, l'élimination des pièces sujettes à des ruptures ou à des pénuries, la réduction du nombre total de pièces (et des coûts associés) et un moteur plus léger constituent tous des arguments convaincants. Peut-être que maintenant la conversation peut passer à la piste de danse. Sinon, de plus gros canons peuvent être utilisés.

Geek niveau 2

D'ACCORD. En résumé, le problème avec le résumé des avantages du moteur à induction alternatif réside dans le fait que les résumés n’expliquent pas ce qui a été utilisé pour remplacer les brosses ou ce qui concerne l’invention de Nikola Tesla datant de 136 ans qui a permis aux aimants de venir en dehors.

Avant d’aller plus loin, il est utile de comprendre une chose élémentaire (et très cool) concernant les moteurs électriques. AC ou DC, ils sont tous sur champs magnétiques. Le magnétisme est le nom de ce jeu. La force électromagnétique est l’une des quatre forces fondamentales de la nature (les autres étant la force gravitationnelle, la force forte). [holds atoms together]et la force faible [decay of fundamental particles]).

L'électromagnétisme est la force de super-héros qui fait tourner les moteurs. Pensez juste pendant une seconde à la façon dont deux aimants se faisant face avec la même polarité ont tendance à se repousser, et de même à la façon dont les aimants se rapprochent lorsque des polarités opposées se font face (les contraires s'attirent). Alors, imaginez si vous utilisiez du ruban adhésif avec un tas d’aimants pour, par exemple, une Susan paresseuse, puis placez un gros aimant près de ce paquet. Ce qui se passerait? C’est ainsi que fonctionnent les moteurs électriques. Et plus les aimants sont gros, plus la force qui fait tourner le cylindre est puissante. Qu'il soit alimenté par des aimants ou par une ICE, la force de torsion qui fait tourner un moteur est appelée couple. Dans le cas des moteurs électriques, plus les champs magnétiques sont puissants, plus le couple est puissant.

Lors de la conception d'un moteur électrique, il existe plusieurs manières de générer ces champs magnétiques si importants. L'une d'elles consiste à utiliser des aimants naturels (permanents). Certains minéraux sont naturellement magnétisés et émettent un champ électromagnétique. D'autre part, si vous prenez la peine de formuler un alliage en utilisant le néodyme, un élément des terres rares, vous obtenez un aimant très sérieux que les concepteurs de moteurs adorent (plus de couple). Une deuxième façon de créer un champ magnétique consiste à prendre quelques enroulements de fil de cuivre et à appliquer une tension continue (courant continu) à l'enroulement. La bobine émettra un champ électromagnétique. Troisièmement, vous pouvez créer un champ électromagnétique avec AC (courant alternatif), mais nous allons le sauvegarder un instant. Compte tenu de ce qui a été dit, nous avons suffisamment d’amorce pour parler des brosses, des aimants et des moteurs à induction alternatifs d’une manière qui, espérons-le, aura du sens et n’aura pas une notion abstraite.

Des pinceaux

En termes simples, les moteurs à courant continu conventionnels agissent en entourant un arbre rotatif avec des enroulements en fil de cuivre qui sont alimentés par une source d'alimentation en courant continu. armature parce que les fils sont enroulés autour du bras d'un cadre métallique). Le rotor est alors entouré par un autre champ magnétique à partir d'une position fixe, ce qui est accompli avec des aimants permanents fixés à un boîtier métallique entourant le rotor (ce type d'appareil est appelé un stator parce que c'est stationnaire).

Le problème est de savoir comment alimenter la bobine du rotor, car elle tournera (pour faire tourner les roues de la voiture). C’est là que les brosses entrent en jeu. Le fait de presser un matériau conducteur contre le rotor fait le travail, comme illustré ici:

Moteur à courant continu brossé

Comme vous pouvez le constater, une paire de balais en carbone est connectée aux câbles d’alimentation CC. Les balais établissent un contact physique avec une zone désignée à proximité de l’extrémité du rotor qui distribue la tension à l’armature (appelé commutateur parce qu'il se déplace le courant à travers). La faiblesse de cette conception est que vous avez deux parties frottant l'une contre l'autre et le [softer] les brosses finissent par s'user et doivent être remplacées. Vous ne voulez pas que cela se produise dans la circulation. C’est pourquoi un moteur à balais est un non-démarreur dans un VE.

Remarque: d’un point de vue vert, vous ne voulez pas être entouré d’un moteur à balais. Lorsque les pinceaux s'usent, ils répandent des particules de graphite dans l'air. Les moteurs brossés contribuent dans une faible mesure à la pollution de l'air.

Or, le moteur à courant continu a évolué il y a quelque temps pour devenir une version ne nécessitant pas de brosses. Une personne intelligente a eu la brillante idée de déplacer les aimants permanents du stator vers le rotor et de déplacer les bobines de fil du rotor vers le stator. Grâce à cette avancée, les fils CC pourraient facilement être fixés aux bobines de la partie fixe du moteur. Il n'était plus nécessaire de fournir de l'électricité au rotor. Ainsi, les brosses et le commutateur sont sortis.

Aimants

Cependant, les aimants sont toujours restés. Pour toutes les raisons citées ci-dessus, ils doivent également y aller. Et c’est là que nous avons l’opportunité de comprendre le génie du moteur à induction AC utilisé dans une Tesla.

Remarque: le moteur à induction a également été utilisé dans le EV-1. Les hybrides modernes utilisent tous des moteurs à courant continu sans balai.

Entrez courant alternatif ou alternatif. Contrairement à la tension continue, qui a une polarité constante (comme une pile AA avec une extrémité positive et une extrémité négative), le courant alternatif passe de positif à négatif plusieurs fois par seconde alternes la polarité de + à -). AC est mesurée comme une onde sinusoïdale oscillante. Pour prendre le câblage domestique, par exemple, la tension passe de zéro à une tension positive de 120 volts… puis diminue progressivement jusqu'à zéro volt. Il répète ensuite le cycle, mais avec la polarité inversée. Cela se produit 60 fois par seconde aux États-Unis et 50Hz en Europe. Voici une image d’une onde sinusoïdale alternative:

sinewave "srcset =" https://cleantechnica.com/files/2016/05/sinewave-570x378.png 570w, https://cleantechnica.com/files/2016/05/sinewave-270x179.png 270w, https: / /cleantechnica.com/files/2016/05/sinewave-768x510.png 768w, https://cleantechnica.com/files/2016/05/sinewave.png 868w "values ​​=" (largeur maximale: 570px) 100vw, 570px "/></p>
<p><span style=Alors, pourquoi vous en souciez-vous? Parce que chaque fois que la tension monte et descend, un champ électromagnétique est créé. C'est le changement en niveaux de tension qui crée le champ. C'est une nouvelle troisième façon de créer un champ magnétique. Génial. Mais comment cela aide-t-il notre moteur? Rappelez-vous que vous ne voulez ni bobines de fil ni aimants autour du rotor. Par conséquent, vous utilisez plutôt une pièce moulée en matériau conducteur, tel que l’aluminium ou le cuivre, pour le rotor, et vous alimentez des paires de bobines opposées dans le stator avec un courant alternatif au lieu du courant continu. Une paire de bobines (à 180 ° l'une de l'autre) dans le stator sont câblées en série (lampes pour arbres de Noël). Un fil est enroulé autour d'un noyau en acier dans le sens des aiguilles d'une montre, qui est ensuite étendu à la bobine opposée et enroulé dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

2_pole_single_phase_basic "srcset =" https://cleantechnica.com/files/2016/05/2_pole_single_phase_basic.jpg 470w, https://cleantechnica.com/files/2016/05/2_pole_single_phase_phase_basic-270x202.jpg 270w "tailles -width: 470px) 100vw, 470px "/></p>
<p><span style=Lorsqu'une tension alternative est appliquée à la paire de bobines, un champ électromagnétique de charges opposées est créé. Les champs s'étendent l'un à l'autre à travers un plan du rotor conducteur, créant un électro-aimant avec un pôle nord et un pôle sud. Cette activité induit un courant circule sur le rotor. Le courant induit fluctue avec le champ électromagnétique provenant de la source de courant alternatif. Alors que le courant du rotor augmente et diminue, devinez ce qui se passe? Pour la même raison, le courant circulant dans les bobines a généré un champ électromagnétique, le courant circulant sur le rotor fait de même.

Est-ce que tu a reçu sa? C'est la clé pour que les moteurs à induction se dispensent des brosses et des aimants. Sans avoir à comprendre la physique de ce qui crée un champ électromagnétique ou comment un champ électromagnétique pourrait induire un flux de courant, le fait est que, tout à coup, le rotor crée un champ magnétique en phase avec le cycle d'alimentation en courant alternatif les bobines de stator. Sans tout le brouhaha des brosses et des aimants en terres rares, nous sommes revenus à la nécessité de disposer des deux champs magnétiques très importants opposés qui font tourner le moteur.

Donc, encore une fois: Des bobines appariées sur le stator> appliquent un courant alternatif aux bobines> un champ électromagnétique est créé qui s'étend sur le rotor> un courant est INDUIT de circuler sur le rotor> le rotor émet un champ électromagnétique opposé> le rotor tourne en réponse à l'attraction magnétique. Voilà. Le moteur à induction AC. Voici une animation de ce principal. Faites défiler jusqu'à «Comment fonctionne un moteur à induction AC?"

Merci Nikola Tesla d'avoir compris cela!

Tesla utilise un rotor en cuivre pour ses moteurs au lieu de l’aluminium en raison de la conductivité bien meilleure du cuivre. C’est un processus plus difficile et plus coûteux, cependant. Le cuivre doit être chauffé à l'état fondu, puis versé dans une matrice avec un noyau en fer / acier (appelé moulage sous pression). L'aluminium fond à 660 ° C alors que le cuivre fond à 1000 ° C. Le cuivre doit être versé sans faire fondre la matrice ou le noyau. Ce n'est que récemment que ce processus a été perfectionné. Le résultat est un moteur efficace qui est environ 20% plus petit qu'un moteur équivalent en aluminium.

Geek niveau 3

D'ACCORD. En avoir assez? Sur la piste de danse encore? Oh, ils veulent toujours en savoir plus sur la partie triphasée à 4 pôles, hein? Bien. Commençons par le «4 pôles»…. L'animation précédente montre un moteur à 2 pôles. Seulement deux bobines opposées sont câblées ensemble (en série). Ainsi, deux pôles, ou un moteur à 2 pôles. L'animation comporte deux ensembles de bobines appariées (bleu et rouge) et les moteurs réels en ont plusieurs autres autour du stator, mais il est toujours considéré comme un moteur à 2 pôles.

Une version raffinée de cette conception utilise 4 bobines câblées en série. Une paire de pôles est toujours opposée, mais une autre paire est ajoutée à 90 °. Ainsi, le moteur à 4 pôles. Doubler le nombre de pôles dans le circuit augmente le couple. Imaginez une tarte aux pommes coupée en quatre tranches. Cela vous donne une idée de la topographie des bobines, qui se situent à l'extrémité grasse de chaque tranche. Comme indiqué avec les moteurs bipolaires, il y aura plusieurs jeux de ces 4 bobines, câblés de la même manière. Vous pouvez simplement continuer à trancher cette tarte dans votre tête ou regarder ce stator entièrement câblé:

enroulements "srcset =" https://cleantechnica.com/files/2016/05/windings.jpg 500w, https://cleantechnica.com/files/2016/05/windings-270x216.jpg 270w "tailles =" (max. -width: 500px) 100vw, 500px "/></p>
<p><span style=Il est assez difficile de dire combien de pôles ce stator a. Tout dépend de la façon dont les bobines ont été câblées ensemble. Ce que vous regardez est un fil de cuivre isolé enroulé autour du stator. Les bobines de fil sont appelées enroulements pour des raisons évidentes.

Passons maintenant aux 3 phases. Le courant alternatif triphasé n’est que trois sources de courant alternatif. Il se présente sous la forme de trois câbles d'alimentation séparés. Considérez les phases alternatives comme des cylindres dans une ICE conventionnelle. Plus le nombre de cylindres (sources d'alimentation) est élevé, plus le moteur tourne en douceur. Droite? Un moteur V8 est plus fluide qu'un moteur 4 cylindres et a plus de puissance. De même, vous effectuez plus de travail avec une alimentation triphasée qu'une source monophasée typique telle qu'une prise de courant domestique. Mais comment utiliser au mieux la puissance supplémentaire? La première image d’une onde sinusoïdale était celle d’un circuit monophasé. Regardons à nouveau un sinus avant de continuer:

sine_wave_2 "srcset =" https://cleantechnica.com/files/2016/05/sine_wave_2.jpg 336w, https://cleantechnica.com/files/2016/05/sine_wave_2-270x133.jpg 270w "tailles =" (max) -width: 336px) 100vw, 336px "/></p>
<p><span style=Notez que le courant commence à zéro volt, baisse à zéro lorsque le cycle passe du positif au négatif, puis repasse à zéro volt. Pas de tension = pas de courant à cet instant. Aucun courant ne signifie aucun champ électromagnétique. Donc, avec notre exemple de puissance 60Hz, il n'y a pas de puissance 120 fois par seconde. Aahh! Cela ne fera jamais pour une Tesla. La solution à ce «problème» consiste à appliquer une source CA distincte pour alimenter un jeu de bobines adjacent. Mais vous n’alimentez pas les deux circuits en même temps. Au lieu de cela, vous réglez le temps de sorte que la deuxième source CA génère un champ électromagnétique alors que la première ne l’est pas. Ainsi, le moteur est toujours alimenté. Et que diable, si deux jambes AC sont bonnes, trois doivent être meilleures (3 phases est la norme de l'industrie). Donc, maintenant, trois sources CA distinctes alimentent chacune un jeu séparé de 4 bobines (4 pôles, à 4 points opposés de la boussole) à tout moment, déphasées les unes par rapport aux autres.

Pour continuer notre analogie ICE, les pistons dans le moteur ont-ils tous leur cycle de combustion se produire au même moment? Non, les cycles de combustion sont échelonnés pour optimiser le couple et lisser le fonctionnement du moteur. C’est le même principe pour les moteurs électriques. Le diagramme ci-dessous illustre le fonctionnement en courant alternatif triphasé. Notez que, à tout moment, la tension est présentedonc courant courantdonc un champ électromagnétiquedonc une force de traction sur le rotor.

3_phase_diagram "srcset =" https://cleantechnica.com/files/2016/05/3_phase_diagram-570x321.jpg 570w, https://cleantechnica.com/files/2016/05/3_phase_diagram-270x152.jpg 270w, https: / /cleantechnica.com/files/2016/05/3_phase_diagram-620x350.jpg 620w, https://cleantechnica.com/files/2016/05/3_phase_diagram.jpg 720w "values ​​=" (largeur maximale: 570px) 100vw, 570px "/></p>
<p><span style=Additionnez le tout et vous obtenez ce que les concepteurs appellent un champ magnétique tournant progressant autour de la circonférence du rotor. Le rotor est constamment entraîné en cercle, sans jamais rattraper le champ en rotation. L'action est orchestrée par un contrôleur électronique.

Tiens voilà. Le moteur à induction triphasé 4 pôles. Un appareil simple en fait. Acier. Cuivre. Enroulements. Aucun frottement des pièces en mouvement, à l'exception des roulements sur lesquels le rotor tourne. C’est le courant alternatif qui fait vraiment la magie…. le mouvement de ces champs électromagnétiques créant des forces opposées qui tordent le rotor en cercles. C’est une sorte de danse quand on y pense. Et en parlant de danse, votre partenaire devrait certainement avoir la parole maintenant. Ne me faites pas passer au niveau geek 4!


Merci à Ivan au garage Ivan pour avoir comblé les lacunes de mes connaissances. Ivan fait tourner ses propres moteurs et connaît donc bien le moteur inductif AC.

Plus de références:

Wally Rippel, qui a participé au développement du moteur de l'EV-1 et a ensuite travaillé chez Tesla Motors, parle des moteurs dans cet article de blog.

Un autre bon fil de blog date de 2006, où Martin Eberhard, cofondateur de Tesla, discute des moteurs à induction.

Voici une superbe vidéo du spectacle «How It’s Made – Dream Cars» montrant le montage détaillé d’un modèle S. À 5 h 30, ils montrent le moteur en cours d’assemblage. Une note: le narrateur déclare: “Ceci est un moteur triphasé donc il y a 3 bobines distinctes de cuivre”. Hmmm. Il est probablement plus exact d’affirmer que 3 bobines de cuivre distinctes sont alimentées en même temps.

Et voici un article sur les rotors en cuivre avec des citations de JB Straubel.

Ou, que diriez-vous d'une animation plus ancienne expliquant le fonctionnement du magnétisme? Bon pour les enfants aussi.

Voici une vidéo d’un lecteur Tesla exposée dans la salle de montre d’un magasin Tesla à Boulder au Colorado:

Enfin, voici une vidéo YouTube d'un moteur fait maison triphasé et bipolaire faisant tourner une canette de café!


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A propos de l'auteur

Steve Bakker est un enseignant, un écrivain et un technologue semi-retraité qui tente actuellement de remédier à son ignorance quant au fonctionnement des voitures électriques.



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