방금 메가 팩토리 비디오를보고 있는데 왜 DC 배터리에서 직접 전원을 공급받을 수있는 DC 대신 전력 인버터가 필요한 AC 모터를 사용해야하는지 궁금했습니다. 인버터를 도입하면 더 많은 비용 (무게, 컨트롤러 등)을 의미합니다.
그 이유가 있습니까? 이 결정으로 이어질 수있는 AC 모터와 DC 모터의 차이점은 무엇입니까? 또한 다른 전기 자동차에 어떤 종류의 모터가 사용되는지 알고 있습니까?
방금 메가 팩토리 비디오를보고 있는데 왜 DC 배터리에서 직접 전원을 공급받을 수있는 DC 대신 전력 인버터가 필요한 AC 모터를 사용해야하는지 궁금했습니다. 인버터를 도입하면 더 많은 비용 (무게, 컨트롤러 등)을 의미합니다.
그 이유가 있습니까? 이 결정으로 이어질 수있는 AC 모터와 DC 모터의 차이점은 무엇입니까? 또한 다른 전기 자동차에 어떤 종류의 모터가 사용되는지 알고 있습니까?
답변:
전기 자동차 애플리케이션을위한 트랙션 모터 선택을 둘러싼 기술적 인 장단점에 대해 문의하고 있습니다. 전체 디자인 트레이드 스페이스를 설명하는 것은 여기에서 합리적으로 요약 할 수있는 것 이상을 제공하지만, 이러한 응용 프로그램에 대한 두드러진 디자인 트레이드 오프를 간략하게 설명하겠습니다.
화학적으로 (즉, 배터리에) 저장 될 수있는 에너지의 양이 상당히 제한되어 있기 때문에, 거의 모든 전기 자동차는 효율성을 염두에두고 설계되었습니다. 자동차 애플리케이션을위한 대부분의 운송 애플리케이션 트랙션 모터는 60kW ~ 300kW 피크 전력 범위에 있습니다. 옴스 법칙은 케이블 연결, 모터 권선 및 배터리 상호 연결에서의 전력 손실이 P = I 2 R 임을 나타냅니다 . 따라서 전류를 절반으로 줄이면 저항 손실이 4 배 감소합니다. 결과적으로 대부분의 자동차 애플리케이션은 288 ~ 360V nom 의 공칭 DC 링크 전압에서 실행됩니다 (이러한 전압 선택에 대한 다른 이유도 있지만 손실에 중점을 두자). 브러시 DC와 같은 특정 모터는 정류자 아킹으로 인해 공급 전압에 대한 실제 상한이 있기 때문에 공급 전압은이 설명과 관련이 있습니다.
스위치 / 가변 릴럭 턴스와 같은보다 이국적인 모터 기술을 무시하고 자동차 애플리케이션에 사용되는 3 가지 주요 범주의 전기 모터가 있습니다.
브러시 DC 모터 : 기계적으로 정류 된, 토크를 제어하기 위해 간단한 DC '초퍼'만 있으면됩니다. Brush DC 모터는 영구 자석을 가질 수 있지만 트랙션 적용을위한 자석의 크기는 비용을 엄청나게합니다. 결과적으로 대부분의 DC 트랙션 모터는 직렬 또는 분로 권선입니다. 이러한 구성에서, 고정자와 회 전자 모두에 권선이 있습니다.
브러시리스 DC 모터 (BLDC) : 인버터에 의해 전자적으로 정류, 회 전자의 영구 자석, 고정자의 권선.
유도 전동기 : 인버터, 유도 회 전자, 고정자의 권선에 의해 전자적으로 정류됩니다.
다음은 세 가지 모터 기술 간의 장단점에 대한 확실한 일반화입니다. 이러한 매개 변수를 무시하는 많은 포인트 예제가 있습니다. 내 목표는이 유형의 응용 프로그램에 대해 공칭 값으로 고려할 사항 만 공유하는 것입니다.
-효율 :
브러시 DC : 모터 : ~ 80 %, DC 컨트롤러 : ~ 94 % (수동 플라이 백), NET = 75 %
BLDC : ~ 93 %, 인버터 : ~ 97 % (동기 플라이 백 또는 히스테리시스 제어), NET = 90 %
유도 : ~ 91 % : 인버터 : 97 % (동기 플라이 백 또는 히스테리시스 제어), NET = 88 %
-마모 / 서비스 :
브러시 DC : 마모되는 브러시; 정기적 인 교체가 필요합니다. 문장.
BLDC : 베어링 (수명)
유도 : 베어링 (수명)
-인버터를 포함한 특정 비용 (kW 당 비용)
브러시 DC : 저 모터 및 컨트롤러는 일반적으로 저렴한
BLDC : 고전력 영구 자석은 매우 비싸다
유도 : 보통-인버터는 비용을 추가하지만 모터는 저렴하다
-열 제거
브러시 DC : 로터의 권선으로 인해 고출력 모터로 인해 로터와 정류기에서 열을 제거하기가 어렵습니다.
BLDC : 고정자의 권선은 열 제거를 간단하게 만듭니다. 회 전자의 자석에는 낮은 와상 유도 가열이 있습니다.
유도 : 고정자의 권선은 고정자의 열 제거를 간단하게 만듭니다. 로터의 유도 전류는 고출력 응용 분야 (유출되지 않은 샤프트를 통한 출입)에서 오일 냉각이 필요할 수 있습니다.
-토크 / 속도 동작
브러시 DC : 이론적으로 무한의 제로 속도 토크, 토크는 속도가 증가함에 따라 떨어집니다. 브러시 DC 자동차 애플리케이션은 일반적으로 전체 자동차 등급 및 최고 속도 범위에 걸쳐 3-4 기어비가 필요합니다. 나는 24kW DC 모터 구동 식 EV를 몇 년 동안 운전하여 정지 상태에서 타이어를 밝힐 수 있었지만 (65 MPH에 도달하기 위해 고생했습니다).
BLDC : 기본 속도까지 일정한 토크, 최대 속도까지 일정한 동력. 자동차 애플리케이션은 단일 비율 기어 박스로 실행 가능합니다.
유도 : 기본 속도까지 일정한 토크, 최대 속도까지 일정한 동력. 자동차 애플리케이션은 단일 비율 기어 박스로 실행 가능합니다. 전류인가 후 토크를 생성하는 데 수백 ms가 걸릴 수 있음
-기타 :
브러시 DC : 고전압에서 정류자 아크 문제가 발생할 수 있습니다. 브러시 DC 모터는 골프 카트 및 지게차 (24V 또는 48V) 응용 분야에서 정식으로 사용되지만 효율성이 향상되어 최신 모델이 유도됩니다. 회생 제동은 까다 롭고 더 복잡한 속도 컨트롤러가 필요합니다.
BLDC : 자석 비용 및 조립 문제 (자석이 매우 강력 함)로 인해 BLDC 모터는 두 개의 프리우스 모터 / 발전기와 같은 저전력 응용 제품에 적합합니다. 회생 제동은 본질적으로 무료입니다.
인덕션 : 모터는 상대적으로 저렴하고 자동차 애플리케이션 용 전력 전자 장치는 지난 20 년 동안 가격이 크게 하락했습니다. 회생 제동은 본질적으로 무료입니다.
다시 말하지만, 이것은 모터 선택을위한 일부 주요 설계 드라이버에 대한 최상위 요약 일뿐입니다. 나는 실제 구현에 따라 훨씬 더 변하는 경향이 있기 때문에 의도적으로 특정 동력과 특정 토크를 생략했습니다.
다른 답변은 훌륭하며 기술적 인 이유가 있습니다. 몇 년 동안 일반적으로 Tesla와 EV 시장을 따랐기 때문에 실제로 Tesla 가 유도 모터를 사용 하는 이유에 대한 귀하의 질문에 답변하고 싶습니다 .
테슬라의 공동 설립자 인 엘론 머스크 (Elon Musk)는 실리콘 밸리 (SV)의 사고에서 나왔다. PayPal에서 수억 달러를 현금으로 옮길 때 (우주 탐사 및) 전기 자동차를 다루기로 결정했습니다. SV-land에서는 일을 끝내는 시간 / 속도가 전부이므로, 점프 스타트를 시작하기 위해 출발점으로 사용할 수있는 것을 찾기 위해 주변을 둘러 보았습니다.
JB Straubel은 머스크가 우주와 EV에 관심을 갖 자마자 머스크에 손을 뻗은 비슷한 생각을 가진 엔지니어 (우주와 EV 모두)였다.
Straubel은 첫 점심 회의에서 키트 자동차 프레임을 사용하여 프로토 타입 전기 스포츠카를 개발 한 AC Propulsion 이라는 회사를 언급했습니다 . 이미 2 세대에서 이미 리튬 이온 배터리 사용으로 전환했으며 250 마일의 범위를 가졌으며, 많은 토크를 제공했으며, 4 초 안에 0-60까지 갈 수 있었지만, 대부분이 논의에 사용 된- -당신은 그것을 추측했다 -AC 추진 (유도 모터).
머스크는 AC 추진을 방문하여 매우 감동을 받았습니다. 그는 몇 달 동안 AC Propulsion이 전기 자동차를 상용화하도록 설득하려고 시도했지만 당시에는 관심이 없었습니다.
AC 추진 팀장 인 Tom Gage는 Musk이 Martin Eberhard, Marc Tarpenning 및 Ian Wright로 구성된 다른 구직자와 협력 할 것을 제안했습니다. 그들은 Musk가 회장이자 제품 디자인 총괄 책임자가되고, Eberhard가 CEO가되고, Straubel이 "Tesla Motors"라는 새 회사의 CTO가되면서 노력을 합병하기로 합의했습니다.
Tesla는 Musk가 본 최초의 실행 가능한 프로토 타입이 사용했기 때문에 주로 유도를 사용합니다. 관성 (말장난 의도가 없습니다 ... 괜찮습니다, 조금)은 나머지를 설명합니다 ( "파산하지 않으면 ...").
AC Propulsion이 Tzero 프로토 타입에서 왜 그것을 사용했는지에 대해서는 다른 답변을보십시오 ... ;-)
엔지니어의 정확한 이유가 설계 팀에 있지 않은 이유를 말하기는 어렵지만 몇 가지 생각은 다음과 같습니다.
두 모터 모두 비슷한 드라이브가 필요합니다. 브러시 DC 모터는 배터리에서 직접 작동 할 수 있지만 전기 자동차에서보고있는 모터 유형은 브러시리스 DC 모터입니다. 인덕션 모터와 브러시리스 DC 모터의 드라이브는 매우 유사합니다. 유도 모터의 제어는 일반적으로 더 복잡 할 것입니다.
DC 브러시리스 모터는 로터에 자석이 있습니다. 이것은 구리가있는 유도 로터보다 비용이 많이 듭니다. 또한, 자석 시장은 매우 변동 적입니다. 한편, 유도 모터는 I²R 손실 및 코어 손실로 인해 로터에서 훨씬 더 많은 열을 생성합니다.
브러시리스 모터의 기동 토크는 일반적으로 유도 전동기보다 높습니다.
브러시리스의 최대 효율은 일반적으로 인덕션 모터보다 높지만, Tesla가 브러시리스를 사용하는 것보다 인덕션 모터의 평균 효율이 더 높은 곳을 읽습니다. 불행히도 나는 그것을 읽은 곳을 기억할 수 없습니다.
많은 사람들이 현재 스위치드 릴럭 턴스 머신을 연구하고 있습니다. 제가 마지막으로했던 몇 차례의 모터 컨퍼런스는 스위치드 릴럭 턴스에 관한 것이 었습니다. 자석이 필요하지 않으며 이러한 유형의 모터의 효율은 유망합니다. 모두 모터의 자석에서 벗어나기를 원합니다.
내가 말했듯이 Tesla의 엔지니어를 제외하고는 아무도 당신의 질문에 대답 할 수 없을 것입니다. 그러나 가장 좋은 추측은 아마도 내 요점 4)와 관련이 있다고 생각하지만 확실하게 알 수는 없습니다. 나는 자석 가격의 변동성이 그것과 관련이 있다고 확신합니다.
답은 DC 브러시리스 모터 에 대한 유도 기사에서 Tesla 직원들로부터 온 것입니다.
이 부분은 특히 주목할 만하다 :
이상적인 브러시리스 드라이브에서 영구 자석에 의해 생성되는 자기장의 강도는 조절 가능합니다. 특히 저속에서 최대 토크가 필요한 경우, 자기장 강도 (B)는 최대가되어야합니다. 따라서 인버터 및 모터 전류가 가능한 가장 낮은 값으로 유지됩니다. 이는 I² R (current² 저항) 손실을 최소화하여 효율성을 최적화합니다. 마찬가지로, 토크 레벨이 낮 으면 B로 인한 에디 및 히스테리시스 손실도 감소되도록 B 필드를 줄여야합니다. 이상적으로 B는 에디, 히스테리시스 및 I² 손실의 합이 최소화되도록 조정해야합니다. 불행히도 영구 자석으로 B를 쉽게 바꿀 수있는 방법은 없습니다.
반대로, 유도 기계에는 자석이 없으며 B 필드는 "조정 가능"합니다. B는 V / f (전압 대 주파수)에 비례하기 때문입니다. 이는 경부 하에서 인버터가 전압을 감소시켜 자기 손실이 감소되고 효율이 최대화됨을 의미합니다. 따라서 스마트 인버터로 작동 할 때 유도 기계는 DC 브러시리스 기계에 비해 이점이 있습니다. 자기 및 전도 손실은 효율이 최적화되도록 거래 될 수 있습니다. 성능이 향상됨에 따라 이러한 이점이 점점 중요 해지고 있습니다. DC 브러시리스를 사용하면 기계 크기가 커짐에 따라 자기 손실이 비례 적으로 증가하고 부품 부하 효율이 떨어집니다. 인덕션을 사용하면 기계 크기가 커짐에 따라 손실이 반드시 커지는 것은 아닙니다. 따라서, 유도 구동은 고성능이 요구되는 바람직한 방법 일 수있다.
영구 자석은 비싸다 – 킬로그램 당 $ 50. 영구 자석 (PM) 로터는 또한 강자성이 무엇인가에 가까워 질 때 작용하는 매우 큰 힘으로 인해 다루기가 어렵다. 이는 인덕션 모터가 PM 기계에 비해 비용 우위를 유지할 가능성이 있음을 의미합니다. 또한 인덕션 머신의 필드 약화 기능으로 인해 인버터 성능과 비용은 특히 고성능 드라이브의 경우 더 낮은 것으로 보입니다. 회전 유도 기계는 자극 해제시 전압을 거의 또는 전혀 생성하지 않기 때문에 보호하기가 더 쉽습니다.
모든 회전 전동기는 AC 모터입니다. 그들 모두.
또한, 핵심적으로 그들은 본질적으로 같은 일을하고 있습니다. 차이점은 DC가 AC로 전환되는 방식과 표준 결과를 생성하는 데 사용되는 방식입니다.
전자적으로 DC 인 유일한 모터는 브러시 모터입니다. 회전 정류자와 고정 브러시로 DC를 AC로 전환합니다. 그 모터와는 별도로, 다른 모든 모터에는 어떤 형태의 DC-AC 변환이 필요합니다. 브러시 모터는 일반적으로 기계적 DC 대 AC 체인저 (정류자)가 비교적 비싸고 수명이 짧기 때문에 매력적이지 않다.
따라서 Tesla 또는 기타 전기 자동차의 경우 DC 또는 AC가 아니라 AC 모터의 형태가 비용 효율적으로 설계 목표를 가장 잘 충족시키는 형식이 선택됩니다.
Tesla는 설계 목표를 가장 비용 효율적으로 충족했기 때문에 그 기능을 사용할 것입니다.
공감 자들은 다수의 사람들이 마커스에 동의하고 위의 대답이 nitpicking이라고 생각합니다. 작은 생각과 일반적으로 내 대답을 살펴보면 downvoters 부분에 대한 이해가 부족할 수 있습니다.
다운 보터가 다음 내용을 읽고 그 다운 보트를 제거 할 용기가 있는지 살펴 보자. 나 자신에게는 중요하지 않습니다. 당신이 다른 사람들을 오도하는 정도로 그것은 중요합니다.
모든 로터리 전기 모터에는 모터에 AC를 적용하는 컨트롤러가 필요합니다.
AC 모터와 DC 모터의 구별은 일부 상황에서 유용하지만 DC 에너지 원으로 시작하고 회전 전기 모터로 끝나는 폐쇄 시스템 인 자동차에서는 그 구별이 허위이며 유용하지 않습니다. 차는 닫힌 시스템입니다. 시스템 어딘가에 어떤 형태로 DC를 AC로 변환하는 컨트롤러가 있습니다. 로터 스테이터 또는 로터 내부, 모터 셸 내부, 쉘에 부착되어 있는지 또는 자동차의 다른 곳에 장착되어 있는지 여부는 중요하지 않습니다.
브러시 형 "DC"모터에서 "컨트롤러"는 모터 샤프트 끝에 장착 된 기계식 스위치입니다. 이 컨트롤러는 정류자라고 이름 지지만, 기능적으로 DC를 취해 모터의 권선에 관한 한 꼬리 AC 자기장을 추적하는 컨트롤러입니다.
영구 자석 회 전자 권선 고정자 "브러시리스 DC 모터"는 브러시 DC 모터와 기능적으로 매우 유사하며 정류자는 전자식 스위치 및 센서로 교체되어 공급 된 DC를 가져 와서 다양한 분야에 적용하여 꼬리를 쫓을 수 있습니다. 로터가 회전합니다. 다시 컨트롤러가있는 AC 모터입니다. 와인딩을 요청하십시오. 센서는 모터에 적합하며 스위치는 모터에 적합하거나 원격에있을 수 있습니다.
다람쥐 케이지 유도 모터는 고정자 필드 내부의 낮은 임피던스 권선의 네스트 회전을 사용하여 로터 막대의 전압을 유도하고 회전하는 AC 필드를 추적하도록 로터를 회전시키는 자기장을 만들어 복잡한 정도를 추가합니다. 고정자 권선에 적용됩니다. 또한, 구동 시퀀스의 임의의 부분 동안 단방향 (그러나 정현파 적으로 변하는) DC를 갖는다. 그것은 다른 DC와 AC 시스템만큼이나 혼합되어 있습니다.
가변 와전류 구동 모터를 마지 못해 설명 할 수 있습니다. DC에서 컨트롤러를 생산하는 AC 모터입니다.
구별되는 것은 무의미하고 사소합니다. 실제 질문은 "테슬라가 왜 다른 형태의 모터 대신이 특정 형태의 모터를 사용 하는가"입니다. 이것은 의미론뿐만 아니라 이해의 부족이 wordin에 의해 보여진다
인버터 또는 전자식 스위칭 시스템이 필요없는 유일한 "DC"모터는 기계식 브러시 모터입니다. 이것들은 경량 가변 속도 드라이브의 작업에 적합하지 않으므로 현대 전기 자동차 디자인에 사용되는 경우는 거의 없습니다. 인버터가없는 다른 모든 유형의 전동기는 인버터 대신 일부 전자 장치를 갖습니다.
ROTARY "전기 모터는 AC 모터이며, DC 및 DC 스위치 만 작동하는 브러시리스 DC 모터 선형 모터를 생산할 수 있기 때문에 구리와 자기를 비효율적으로 사용할 수 있지만 회전 모터로는 가능하지만 실세계는 그렇지 않습니다. 대량 생산의 모터가 그렇게 할 것입니다.
DC 모터는 Ac 기계의 전력 밀도와 일치 할 수 없습니다. 최고의 마그넷도 달성 할 수있는 최대 전계 강도는 에어 갭에 걸쳐 2.5 테슬라이며,이를 위해서는 특히 고속 회전을 원할 경우 전력 밀도가 높아야하는 심각한 엔지니어링이 필요합니다. 인덕션 머신은 모든 슬픔과 어리석은 공차없이 3+ 테슬라를 편안하게 생산합니다. 그들은 분명히 이것을 효율적으로 DC 기계로하지 않지만 누가 효율적으로 평평한 스포츠카를 말했습니까? AC 유도 기계 kg의 kg은 제어 할 때 정교한 인버터를 구입하고 높은 회전 속도로 작동 할 때 모든 기계 유형 중에서 가장 강력합니다.
IMHO, AC Propulsion (Tesla Motors)은 차량 애플리케이션의 높은 "턴 다운"비율을 충족하는 기계식 정류 DC 모터가 전자식 정류 AC 모터보다 복잡하기 때문에 AC를 사용합니다. 높은 턴 다운 비율이 없으면 원 토크 만 생성하는 모터의 물리적 크기가 엄청납니다. PM 모터가 아닌 인덕션 모터는 재정적으로 안정적 일뿐만 아니라 엔지니어링 관점에서도 더 안정적입니다. 자석이 손상 될 수 있습니다. 회 전자에서 전자석 필드 코일은 그다지 크지 않으며 에너지 밀도는 비슷합니다.
나는 "모든 전기 모터는 AC"라는 명백한 합의를 제외하고 모터의 완전한 회전이 아니라 단일 극 이동에 근거를두고 있습니다.
단극 이동 내에서 AC가 실제로 필요한 유일한 시간은 유도 모터의 로터에서와 같이 기생 권선에서 전류 흐름을 유도해야 할 때입니다. 그렇지 않으면 정류 만 필요합니다.
이 논증은 정지 상태에서 모터를 관찰하면 가장 잘 나타납니다. 유도 모터 인 PM 또는 권선 필드가없는 모터 만 유효 자기장을 생성하는 필드 전류를 생성하려면 AC가 필요합니다.
다른 모든 모터는 정지시 최대 토크를 생성하기 위해 고정자에 DC를 제공하기 만하면됩니다. 상처 필드 모터는 종종 필드를 생성하기 위해 AC를 사용하지만 DC에서도 잘 작동 할 것입니다.
내 PM "서보"모터는 전원을 제어하기 위해 DC를 자르고 있지만 절단 할 때마다 DC를 뒤집지 않고 자르고 있습니다. AC PM 서보 모터에 기계식 정류자를 넣으면 DC에서 작동합니다. 정현파가 없기 때문에 효율적이지는 않지만 사실이 아닙니다. 또한 기계적 브러시 진행 장치가 없으면 최고 속도로 제한됩니다.
DC가 공급 될 때 이중 상처 모터, 명백하게 "AC 전용"모터의 실속 특성을 고려하여 시간을 보내면 아마도 내 주장을 이해할 수있을 것입니다. 당기는 것 외에도 각 극을 밀고 싶을 때만 AC를 제공해야합니다. 그렇지 않으면 전원 공급 장치가 AC 인 경우에도 DC 만 있으면 충분합니다.
슬레이트
모두 : 브러시 기계는 아크를 피하기 위해 48V로 제한됩니다. 반대로 브러시리스 기계는 배터리와 모터 사이에 위치한 DC 부스트 컨버터에 의해 전압이 480V 이상으로 증가 된 240V 배터리에서 쉽게 작동 할 수 있습니다. 오늘날의 하이브리드 또는 플러그인 자동차의 대부분에서 사용되는 것과 유사한 고전압을 사용하면 전송되는 총 전력과 관련하여 속도 제어의 손실이 최소화되어 고효율이 촉진됩니다.
실제로 Tesla는 AC와 DC를 모두 사용하는 동기 전동기를 사용합니다. 모터가 AC만을 사용하는 경우 비동기 유도 모터가 될 수 있는데, 이는 모터에서 로터에 전압이 유도 될 때 전자기장의 미끄러짐으로 인해 차량에서 사용하기에 예측할 수없는 모터입니다 (출력 속도가 회전 속도보다 느립니다). 전자기장 공식 : 분당 회전 수 = 주파수 * 60 / 위 상당 극쌍-속도 미끄럼).
동기식 모터에는 AC 확대 고정자 코일 (일반 유도 모터와 유사)이 있지만 DC 유도 로터 (유도 모터와 달리)도 있습니다. 이를 통해 출력 속도는 이론적 최대 속도 (태양 광 속도)에 도달 할 수있어 예측 가능하고 효과적인 모터를 차량에 사용할 수 있습니다. (수식 : 분당 회전 수 = 주파수 * 60 / 위 상당 극쌍).
그런 다음 Tesla는이를 조사하고 ESC (Electronic Speed Controller)를 사용할 수 있습니다. ESC는 DC 전원의 일부를 배터리에서 AC 전원으로 반전시키고, 구형파를 사인파로 변경하고, 가스 페달의 신호에 따라 주파수와 진폭을 변경하고, 처리 된 전력을 전송하는 회로 기판입니다. 고정자에게. 또한 고정자에 대한 AC 전원에 따라 로터에 대한 DC 전원의 진폭을 변경합니다.