Δε ξέρουμε αν έχετε αναρωτηθεί ποιος είναι ο λόγος ύπαρξης τόσο πολλών τύπων θερμικών κινητήρων στην αυτοκίνηση. Η απάντηση ωστόσο είναι, γιατί από πολύ νωρίς οι μηχανικοί είδαν πως ο βαθμός απόδοσης οποιουδήποτε κινητήρα μελετούσαν την δεδομένη στιγμή ήταν πολύ χαμηλός. Αυτή η συνειδητοποίηση τους οδηγούσε σε διαφορετικά μονοπάτια σκέψης και άρα σε διαφορετικούς τύπους κινητήρων αναζητώντας το άγιο δισκοπότηρο που όμως ποτέ δεν βρήκαν…
Έτσι έχουμε κινητήρες ατμοσφαιρικούς, turbo, Miller, Atkinson, Budack, φτωχού μείγματος, επιλεκτικής καταλυτικής αναγωγής, με turbo σταθερής ή μεταβλητής γεωμετρίας, σε σειρά ή διάταξη V, άμεσου ή έμμεσου ψεκασμού και ου τω καθεξής.
Στην ανατολή της νέας εποχής της αυτοκίνησης, που είναι η ηλεκτροκίνηση, αλήθεια πόσους τύπους κινητήρων έχουμε; Η απάντηση είναι μόλις 2,5…
Η πατέντα που κατέθεσε ο Nikola Tesla to 1888 για τον επαγωγικό κινητήρα
Επαγωγικός ή ασύγχρονος κινητήρας
Ο επαγωγικός κινητήρας δεν είναι κάτι καινούργιο καθώς ανακαλύφθηκε κατόπιν ανεξάρτητων ερευνών από δύο γίγαντες της σκέψης, τον Nikola Tesla και τον Galileo Ferraris. Αν και από ότι φαίνεται ο Ιταλός επιστήμονας τον ανακάλυψε λίγο νωρίτερα (1885) από τον Tesla (1887), εντούτοις ο Tesla ήταν εκείνος που πρώτος κατέθεσε αυτήν την πατέντα και ως εκ τούτου του αποδίδεται η ανακάλυψη. Αυτή η ανακάλυψη μπορούμε να πούμε ότι αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα επιτεύγματα όλων των αιώνων μιας και η χρήση του επαγωγικού κινητήρα είναι τόσο γενικευμένη στις μέρες μας που είναι δύσκολο να φανταστούμε την τεχνολογική ζωή χωρίς αυτόν.
Ο επαγωγικός κινητήρας του Tesla Model S.
Πως δουλεύει ο επαγωγικός ή ασύγχρονος κινητήρας;
Η αρχή λειτουργίας όλων των ηλεκτρικών μηχανών είναι σχετικά απλή. Υπάρχει ένα ακίνητο μέρος που ονομάζεται στάτης και ένα κινούμενο μέρος που ονομάζεται ρότορας. Ας ξεκινήσουμε από τον στάτη. Αυτός αποτελείται από έναν ατσάλινο κύλινδρο με θυρίδες στις οποίες τυλίγονται με συγκεκριμένη πλέξη 3 πηνία. Αυτά τα πηνία τροφοδοτούνται από ρεύμα. Αυτή η τροφοδοσία δημιουργεί ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο εντός του στάτη. Η δε ταχύτητα αυτού του πεδίου ονομάζεται σύγχρονη ταχύτητα.
Πάμε στον ρότορα. Αυτός περιβάλλεται από τον στάτη. Λόγω του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου, δημιουργείται στον ρότορα μια τάση που ονομάζεται ηλεκτρεγερτική δύναμη. Με την σειρά της αυτή η τάση δημιουργεί ρεύμα που διαρρέει τον ρότορα. Λόγω του ρεύματος που διαρρέει πλέον τον ρότορα και του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του στάτη, αναπτύσσεται δύναμη Lorentz στον πρώτο η οποία τον περιστρέφει.
Αυτό ήταν, μόλις φτιάξαμε έναν επαγωγικό κινητήρα. Γιατί όμως ονομάζεται επαγωγικός; Επειδή σύμφωνα με την ανωτέρω περιγραφή, η τάση, το ρεύμα και το μαγνητικό πεδίο του ρότορα οφείλονται σε εκείνα του στάτη. Γιατί ονομάζεται και ασύγχρονος; Επειδή η ταχύτητα του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του ρότορα είναι πάντα λίγο μικρότερη από εκείνη του στάτη. Αυτή η διαφορά στην ταχύτητα ονομάζεται ολίσθηση και είναι μέχρι περίπου 5% ανάλογα του κινητήρα. Τυπικός βαθμός απόδοσης για έναν επαγωγικό κινητήρα είναι περίπου το 90%.
Πάμε στον ρότορα. Αυτός περιβάλλεται από τον στάτη. Λόγω του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου, δημιουργείται στον ρότορα μια τάση που ονομάζεται ηλεκτρεγερτική δύναμη. Με την σειρά της αυτή η τάση δημιουργεί ρεύμα που διαρρέει τον ρότορα. Λόγω του ρεύματος που διαρρέει πλέον τον ρότορα και του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του στάτη, αναπτύσσεται δύναμη Lorentz στον πρώτο η οποία τον περιστρέφει.
Αυτό ήταν, μόλις φτιάξαμε έναν επαγωγικό κινητήρα. Γιατί όμως ονομάζεται επαγωγικός; Επειδή σύμφωνα με την ανωτέρω περιγραφή, η τάση, το ρεύμα και το μαγνητικό πεδίο του ρότορα οφείλονται σε εκείνα του στάτη. Γιατί ονομάζεται και ασύγχρονος; Επειδή η ταχύτητα του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου του ρότορα είναι πάντα λίγο μικρότερη από εκείνη του στάτη. Αυτή η διαφορά στην ταχύτητα ονομάζεται ολίσθηση και είναι μέχρι περίπου 5% ανάλογα του κινητήρα. Τυπικός βαθμός απόδοσης για έναν επαγωγικό κινητήρα είναι περίπου το 90%.
Η Mercedes-Benz EQC χρησιμοποιεί επαγωγικούς κινητήρες.
Ποιοι χρησιμοποιούν επαγωγικούς κινητήρες;
H Tesla Motors όπως θα περίμενε κανείς, χρησιμοποιεί σε μεγάλο βαθμό επαγωγικούς κινητήρες, αν και τώρα τελευταία στα οχήματά της που εφοδιάζονται με δύο κινητήρες, ο ένας από τους δύο αποτελεί μια παραλλαγή του κινητήρα μόνιμου μαγνήτη, ο λεγόμενος μαγνητικής υστέρησης μόνιμου μαγνήτη. Tο νέο Audi e-tron χρησιμοποιεί δύο επαγωγικούς κινητήρες, έναν/άξονα, ενώ το ίδιο setup χρησιμοποιεί και η Mercedes-Benz με το νέο EQC.
Ο εξελιγμένος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη της Porsche Taycan.
Κινητήρες μόνιμου μαγνήτη ή σύγχρονοι
Όπως και οι επαγωγικοί, και οι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη, διαθέτουν έναν ρότορα και έναν στάτη με μια σημαντική διαφορά ωστόσο. Ονομάζονται σύγχρονοι γιατί το μαγνητικό πεδίο του ρότορα είναι κλειδωμένο με εκείνο του στάτορα και ως εκ τούτου δεν παρουσιάζουν ολίσθηση. Επίσης ονομάζονται μόνιμου μαγνήτη γιατί σε αντίθεση με τους επαγωγικούς, διαθέτουν μαγνήτες από σπάνιες γαίες στους ρότορες, από όπου αντλούν και την ονομασία τους. Αυτές οι σπάνιες γαίες βελτιώνουν τον βαθμό απόδοσης του κινητήρα και μειώνουν τις ανάγκες ψύξης του, όμως ανεβάζουν το κόστος του και έχουν και πολιτική παράμετρο. Ελέγχονται σε μεγάλο βαθμό από την Κίνα.
Ωστόσο ο κινητήρας μόνιμου μαγνήτη είναι ο καλύτερος σε βαθμό απόδοσης αυτή τη στιγμή στην αυτοκίνηση με βαθμό απόδοσης κοντά στο 95%. Μερικά παραδείγματα οχημάτων με κινητήρες μόνιμου μαγνήτη είναι η Jaguar i-Pace, το Nissan Leaf, το BMW i3 (παραλλαγή του κινητήρα μόνιμου μαγνήτη), το επερχόμενο VW id.3, η Porsche Taycan και άλλα.
Ωστόσο ο κινητήρας μόνιμου μαγνήτη είναι ο καλύτερος σε βαθμό απόδοσης αυτή τη στιγμή στην αυτοκίνηση με βαθμό απόδοσης κοντά στο 95%. Μερικά παραδείγματα οχημάτων με κινητήρες μόνιμου μαγνήτη είναι η Jaguar i-Pace, το Nissan Leaf, το BMW i3 (παραλλαγή του κινητήρα μόνιμου μαγνήτη), το επερχόμενο VW id.3, η Porsche Taycan και άλλα.
Το Tesla Model 3 Performance διαθέτει υβριδικό κινητήρα μόνιμου μαγνήτη.
Υβριδικοί κινητήρες μόνιμου μαγνήτη μαγνητικής υστέρησης
Οι κατασκευαστές γνωρίζουν τα πλεονεκτήματα των κινητήρων μόνιμου μαγνήτη, όμως η ανάγκη για σπάνιες γαίες αποτελεί τροχοπέδη. Τη λύση στο πρόβλημα των σπανίων γαιών καλούνται να δώσουν οι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη μαγνητικής υστέρησης. Τέτοιοι κινητήρες χρησιμοποιούνται τρεχόντως από την BMW και την Tesla με κάποιες διαφορές ωστόσο μεταξύ τους. Στην περίπτωση της Tesla, ο ρότορας διαθέτει ορισμένες φλέβες με μαγνητικό υλικό σε συνδυασμό με μη μαγνητικό, ενώ υπάρχουν και ηλεκτρομαγνήτες στον στάτορα. Τα δύο μαγνητικά πεδία που τελικά δημιουργούνται είναι κλειδωμένα όπως και σε έναν τυπικό κινητήρα μόνιμου μαγνήτη. Κάτι αντίστοιχο κάνει και η BMW χρησιμοποιώντας λιγότερες σπάνιες γαίες στους ρότορες των κινητήρων της. Αυτοί οι τύποι κινητήρα δείχνουν αρκετά υποσχόμενοι και στα επόμενα χρόνια ίσως δούμε περισσότερους από αυτούς, όταν γενικευθεί η ηλεκτροκίνηση.
Πηγή: autotriti.gr
