テスラ車がDCモーターではなくACモーターを使用するのはなぜですか？

私はちょうど巨大な工場のビデオを見ていましたが、DCバッテリーから直接給電されるDCの代わりにパワーインバーターを必要とするACモーターを使用する理由を疑問に思いましたか？インバーターを導入すると、コスト（重量、コントローラーなど）が増えます。

その理由はありますか？この決定につながる可能性のあるACモーターとDCモーターの違いは何ですか？また、他の電気自動車で使用されているモーターの種類を知っている人はいますか？

あなたは、電気自動車用のトラクションモーターの選択を取り巻く技術的なトレードオフについて尋ねています。完全な設計トレードス​​ペースの説明は、ここで合理的に要約できるものをはるかに超えていますが、このようなアプリケーションの顕著な設計トレードオフの概要を説明します。

化学的に（つまりバッテリーに）保存できるエネルギーの量は非常に限られているため、ほとんどすべての電気自動車は効率を考慮して設計されています。自動車用途向けのほとんどの輸送用途牽引モーターは、60kWから300kWのピーク電力の範囲です。オームの法則は、ケーブル、モーター巻線、およびバッテリー相互接続の電力損失がP = I ² Rであることを示しています。したがって、電流を半分に減らすと、抵抗損失が4倍減少します。ほとんどの車載アプリケーションは288と360Vの間の公称DCリンク電圧で動作する結果_NOM（あまりにも、この電圧の選択のための他の理由があるが、のは、損失に焦点を当ててみましょう）。ブラシDCのような特定のモーターは、整流子のアーク放電のために供給電圧に実際的な上限があるため、供給電圧はこの議論に関連しています。

スイッチド/可変リラクタンスなどのよりエキゾチックなモーターテクノロジーを無視すると、自動車アプリケーションで使用される電動モーターには3つの主要なカテゴリーがあります。

ブラシDCモーター：機械的に整流され、トルクを制御するために必要なのは単純なDC「チョッパー」のみです。ブラシDCモーターには永久磁石を使用できますが、トラクションアプリケーション用の磁石のサイズにより、コストが高くなります。その結果、ほとんどのDCトラクションモーターは直列またはシャント巻です。このような構成では、固定子と回転子の両方に巻線があります。

ブラシレスDCモーター（BLDC）：インバーター、ローターの永久磁石、ステーターの巻線によって電子的に整流されます。

誘導電動機：インバータ、誘導回転子、固定子の巻線により電子的に整流されます。

以下は、3つのモーターテクノロジー間のトレードオフに関するいくつかの簡単な一般化です。これらのパラメーターを無視するポイントの例はたくさんあります。私の目標は、このタイプのアプリケーションの公称値と考えられるものを共有することだけです。

-効率：
ブラシDC： モーター：〜80％、DCコントローラー：〜94％（パッシブフライバック）、NET = 75％
BLDC：〜93％、インバーター：〜97％（同期フライバックまたはヒステリシス制御）、NET = 90％
誘導：〜91％：インバーター：97％（同期フライバックまたはヒステリシス制御）、NET = 88％

-摩耗/サービス：
ブラシDC： 摩耗するブラシ。定期的な交換が必要です。ベアリング。
BLDC：ベアリング（寿命）
誘導：ベアリング（寿命）

-インバーターを含む特定のコスト（kWあたりのコスト）
ブラシDC： 低-モーターとコントローラーは一般的に安価
BLDC：高-高出力永久磁石は非常に高価です
誘導：中程度-インバーターはコストを追加しますが、モーターは安価です

-排熱
ブラシDC： ローターの巻線により、ローターと整流子の両方からの熱除去が高出力モーターで困難になります。
BLDC：固定子の巻線により、熱除去が簡単になります。回転子の磁石には、中程度の渦電流誘導加熱があります
誘導：固定子の巻線は、固定子の熱除去を簡単にします。ローターの誘導電流は、高出力アプリケーションでオイル冷却を必要とする可能性があります（シャフトを介した入出力、飛散なし）。

-トルク/速度挙動
Brush DC： 理論的に無限のゼロ速度トルク、トルクは速度の増加とともに低下します。ブラシDC自動車用途では、一般に自動車の全グレードのグレードと最高速度に対応するために3〜4のギア比が必要です。私は何年もの間24kWのDCモーター駆動のEVを運転しましたが、これはタイヤを停止状態から照らすことができました（しかし65 MPHに到達するのに苦労しました）。
BLDC：基本速度までの一定トルク、最大速度までの一定出力。自動車アプリケーションは、単一の比率のギアボックスで実行可能です。
誘導：基本速度までの一定トルク、最高速度までの一定出力。自動車アプリケーションは、単一の比率のギアボックスで実行可能です。電流を加えた後、トルクが数百ミリ秒かかることがあります

-その他：
ブラシDC： 高電圧では、整流子のアーク放電が問題になる可能性があります。ブラシDCモーターは、ゴルフカートやフォークリフト（24Vまたは48V）のアプリケーションで標準的に使用されますが、効率の向上により新しいモデルが誘導されます。回生ブレーキは注意が必要であり、より複雑な速度コントローラーが必要です。
BLDC：磁石のコストと組み立ての課題（磁石は非常に強力です）により、BLDCモーターは低電力アプリケーション（2つのプリウスモーター/ジェネレーターなど）に適しています。回生ブレーキは基本的に無料です。
誘導：モーターは比較的安価に製造でき、過去20年間で自動車用のパワーエレクトロニクスの価格は大幅に低下しています。回生ブレーキは基本的に無料です。

繰り返しますが、これはモーター選択の主要な設計ドライバーの一部の非常にトップレベルの要約にすぎません。特定の出力と特定のトルクは、実際の実装によって大きく異なる傾向があるため、意図的に省略しました。

...そして今、テスラが誘導モーターを使用する理由

他の回答は素晴らしいものであり、技術的な理由を理解しています。長年テスラとEV市場を追い続けてきましたが、テスラが誘導モーターを使用する理由として、あなたの質問に実際に答えたいと思います。

バックグラウンド

Elon Musk（テスラの共同設立者）は、シリコンバレー（SV）の考え方に基づいています。彼が数億ドルでPayPalから換金したとき、彼は（宇宙探査と）電気自動車に取り組むことに決めました。SVランドでは、物事を成し遂げる時間/速度がすべてであるため、ジャンプスタートを開始するための出発点として使用できるものを見つけるために、彼は周りを見回しました。

JB Straubelは志を同じくするエンジニア（宇宙とEVの両方）であり、マスクが宇宙とEVに関心を示した直後にマスクに連絡しました。

Straubelは、最初のランチミーティングで、キットカーフレームを使用して電気スポーツカーのプロトタイプを開発したAC Propulsionという会社に言及しました。すでに第2世代で、リチウムイオン電池の使用に切り替え、250マイルの範囲で、多くのトルクを提供し、4秒以内に0〜60になる可能性がありましたが、この議論と最も密接な関係があるのは、 -あなたはそれを推測した-AC推進（誘導モーター）。

マスクはAC推進を訪れ、非常に感銘を受けて去りました。彼は数か月間、AC Propulsionに電気自動車の商用化を説得しようとしましたが、当時はそうすることに興味がありませんでした。

AC Propulsionの社長であるTom Gageは、マスクがMartin Eberhard、Marc Tarpenning、およびIan Wrightから成る別の求婚者と力を合わせることを提案しました。彼らは努力を統合し、マスクが会長兼製品設計の総責任者になり、エベルハルトがCEOになり、ストラウベルが「テスラモーターズ」と名付けた新会社のCTOになりました。

答え

そこで、Teslaは誘導を使用します。これは、マスクが最初に見た実行可能なプロトタイプが誘導を使用したためです。慣性（しゃれは意図していません...わかりました、少し）残りの部分を説明します（「壊れていない場合は...」）。

AC PropulsionがTzeroプロトタイプでそれを使用した理由については、他の回答を参照してください... ;-)

完全な物語が欲しいなら、ここかここに行ってください。

設計チームに所属せずにエンジニアの正確な理由を説明するのは難しいですが、ここにいくつかの考えがあります。

1. 両方のモーターに同様のドライブが必要です。ブラシ付きDCモーターはバッテリーから直接実行できますが、電気自動車で見ているモーターのタイプはブラシレスDCモーターです。誘導モーターとブラシレスDCモーターの駆動は非常に似ています。誘導電動機の制御は、一般的におそらくより複雑です。

2. DCブラシレスモーターのローターには磁石があります。これは、銅を使用した誘導回転子よりも高価です。さらに、磁石市場は非常に不安定です。一方、誘導モーターでは、I²R損失とコア損失により、ローターでより多くの熱が発生します。

3. ブラシレスモーターの起動トルクは、一般に誘導モーターよりも高くなります。

4. ブラシレスのピーク効率は一般に誘導モーターよりも高いですが、テスラは誘導モーターのほうがブラシレスよりも平均効率が高いと読んでいると思います。残念ながら、それをどこで読んだか思い出せません。

5. 現在、多くの人々がスイッチドリラクタンスマシンを研究しています。私がこれまで行ってきた最後の数回のモーターカンファレンスは、スイッチドリラクタンスに関するものでした。それらは磁石を必要とせず、これらのタイプのモーターの効率は有望に見えます。 誰もがモーターの磁石から逃げたいと思っています。

ですから、私が言ったように、テスラのエンジニアを除いて、誰もあなたの質問に答えることができないと思います。しかし、私の推測では、それはおそらく私のポイント4）と関係があると思いますが、確かにそれはわかりません。磁石価格のボラティリティもそれと関係があると確信しています。

答えは、誘導とDCブラシレスモーターの記事に関するテスラスタッフの人々自身によるものです。

この部分は特に注目に値します：

理想的なブラシレスドライブでは、永久磁石によって生成される磁場の強度は調整可能です。特に低速で最大トルクが必要な場合、磁場強度（B）を最大にする必要があります。これにより、インバーターとモーターの電流が可能な限り低い値に維持されます。これにより、I²R（電流²抵抗）損失が最小限に抑えられ、効率が最適化されます。同様に、トルクレベルが低い場合、Bに起因する渦損失およびヒステリシス損失も減少するように、Bフィールドを減少させる必要があります。理想的には、渦、ヒステリシス、およびI²損失の合計が最小になるようにBを調整する必要があります。残念ながら、永久磁石でBを変更する簡単な方法はありません。

対照的に、誘導機には磁石がなく、B磁場は「調整可能」です。BはV / f（周波数に対する電圧）に比例するためです。これは、軽負荷ではインバータが電圧を下げて磁気損失を減らし、効率を最大化できることを意味します。したがって、誘導機は、スマートインバーターで動作する場合、DCブラシレス機よりも有利です。効率が最適化されるように、磁気損失と伝導損失を交換できます。この利点は、パフォーマンスが向上するにつれてますます重要になります。DCブラシレスでは、機械のサイズが大きくなるにつれて、磁気損失が比例して増加し、部品負荷効率が低下します。誘導では、機械のサイズが大きくなっても、損失は必ずしも大きくなりません。したがって、高性能が望まれる場合、誘導駆動が好まれるアプローチかもしれません。

永久磁石は高価です–キログラムあたり50ドルのようなもの。永久磁石（PM）ローターも、強磁性体が近づくと非常に大きな力が作用するため、取り扱いが困難です。これは、誘導電動機がPMマシンよりもコスト優位性を保持する可能性が高いことを意味します。また、誘導機のフィールド弱化能力により、特に高性能ドライブの場合、インバータの定格とコストは低くなるようです。回転する誘導機は、非励起時にほとんどまたはまったく電圧を生成しないため、保護が容易です。

すべての回転式電気モーターはACモーターです。それらのすべて。
また、本質的に彼らは本質的に同じことをしています。違いは、DCがACに変換される方法と、標準の結果を生成するためにどのように使用されるかです。

電子的にDCである唯一のモーターは、ブラシモーターです。DCは、回転整流子と固定ブラシによってACに変換されます。そのモーターとは別に、他のすべてのモーターには何らかの形のDCからACへの変換が必要になります。ブラシモーターは、機械的なDCからACチェンジャー（整流子）が比較的高価で、寿命が比較的短いため、一般に魅力的ではありません。

そのため、テスラまたは他の電気自動車の場合、DCまたはACではありませんが、設計に最も適したACモーターの形式は費用対効果に優れています。

Teslaは、設計目標を最もコスト効率よく満たしたため、Teslaの機能を使用します。

ダウン票は、多くの人々がマーカスに同意し、上記の答えは厳選だと思うことを示唆しています。少し考えて、私の答えを一般的に見てみると、ダウンボッター側の理解不足を示唆しているかもしれません。

すべての回転式電気モーターはACモーターです

• この点に目を光らせていると思うなら、電気自動車が全体的に何をするのかをもっとよく考える必要があります。

downvotersが以下を読んでそのdownvoteを削除する勇気を持っているかどうか見てみましょう。私にとっては問題ではありません。あなたが他の人を誤解させるほど、それは重要です。

すべての回転式電気モーターには、何らかの方法でモーターにACを印加するコントローラーが必要です。
ACモーターとDCモーターの区別は状況によっては役立ちますが、DCエネルギー源から始まり回転式電気モーターで終わる閉じたシステムである自動車では、区別が誤っており、役に立たない。車は閉じたシステムです。システムのどこかに、何らかの形でDCをACに変換するコントローラーがあります。ローターステーターまたはローター内、モーターシェル内、シェルに取り付けられているか、車のどこかに取り付けられているかどうかは重要ではありません。

ブラシ付き「DC」モーターでは、「コントローラー」はモーターシャフトの端に取り付けられた機械式スイッチです。このコントローラーは整流子と呼ばれますが、機能的にはDCを取り、モーターの巻線に関する限り、尾部のAC磁場を追跡するコントローラーです。

永久磁石回転子巻線固定子「ブラシレスDCモーター」は、ブラシ付きDCモーターと機能的に非常に似ており、整流子は、供給されたDCを取得してさまざまな分野に適用する電子スイッチとセンサーに置き換えられ、尾を追いかけることができますローターが回転します。繰り返しますが、コントローラー付きのACモーターです。巻き取りをお願いします。センサーはモーター本体内にあり、スイッチはモーター本体またはリモートに隣接している場合があります。

かご形誘導電動機は、固定子磁場内の低インピーダンス巻線の入れ子の回転を使用して回転子バーに電圧を誘導し、回転AC磁場を追跡するように回転子を回転させる磁場を作ることにより、ある程度の複雑さを追加します固定子巻線に適用されます。繰り返しますが、駆動シーケンスのどの部分でも単方向（ただし正弦波的に変化する）DCを持ちます。他のDCとACの混合システムです。

しぶしぶ可変渦電流駆動モーターについて説明することができます。これは、DCからそれを生成するコントローラーを備えたACモーターです。

行われている区別は無関係であり、些細なことです。本当の問題は、「テスラが他のモーターではなく、この特定のモーターを使用する理由」です。これは単なるセマンティクスではなく、理解不足がwordinによって示されること

• ... DCバッテリーからより直接的なDCの代わりに、パワーインバーターが必要です。インベターの導入は、より多くのコスト（重量、コントローラーなど）を意味します...

何らかのインバータまたは電子スイッチングシステムを必要としない唯一の「DC」モーターは、機械式ブラシ付きモーターです。これらは、軽量の可変速ドライブのタスクにはあまり適していないため、現代の電気自動車の設計ではほとんど使用されません。インバーターを持たない他のすべてのスタイルの電気モーターには、インバーターの代わりにいくつかの電子部品があります。

「ロータリー」電気モーターはACモーターであると言いました。これは、スイッチドDCのみの動作を備えたブラシレスDCモーターリニアモーターをほぼ間違いなく製造できるからです。大量生産のモーターはそうします。

DCモーターは、ACマシンの出力密度と一致しません。最高の磁石でも達成できる最大の磁場強度は、空隙全体で2.5テスラであり、これを行うには、特に出力密度が高くなるように高速で回転させたい場合は、いくつかの深刻なエンジニアリングが必要です。誘導機は、磁石や愚かな公差に悩まされることなく、3 +テスラを非常に快適に生成します。彼らは明らかにこれを効率的なDCマシンとして実行していませんが、効率的なフラットアウトのスポーツカーを誰が言ったでしょうか？kgのkgのAC誘導機は、洗練されたインバーターを制御して購入し、高速回転で運転する場合、すべての機械タイプの中で最も強力です。

彼らが車に誘導モーターを使用する本当の理由は次のとおりです。

1. 誘導電動機は安価です
2. 誘導モーターは多くのメンテナンスを必要としません（ブラシなし）
3. 誘導モーターは重量が軽い
4. 誘導モーターの速度を制御する新しい技術が利用可能になり（可変電圧、可変周波数）、大量生産が容易になりました

私見、AC推進（テスラモーターズ）はACを使用します。これは、車両アプリケーションの高い「ターンダウン」率を満たす機械的に整流されたDCモーターは、電子的に整流されたACモーターよりも複雑だからです。その高いターンダウン比がなければ、生のトルクを生成するモーターの物理的サイズは法外なものになります。PMモーターよりも誘導モーターの方が経済的に安定しているだけでなく、エンジニアリングの観点からも安定しています。磁石は損傷する可能性があります。ローター内の電磁界コイルはそれほど多くなく、実証されているように、エネルギー密度は似ています。

「すべての電気モーターはAC」であるという明らかなコンセンサスに対する大きな例外を取り、モーターの完全な回転ではなく、単極の動きに基づいて議論します。

誘導電動機の回転子のように、単極移動内でACが本当に必要なのは、寄生巻線に電流を誘導する必要がある場合だけです。それ以外の場合は、整流のみが必要です。

この議論は、失速中のモーターを観察することで最もよく示すことができます。誘導電動機であるPMまたは巻線磁場のないモーターのみが、無効磁場を生成する界磁電流を生成するためにACを必要とします。

他のすべてのモーターは、DCをステーターに提供するだけで、失速時に最大トルクを生成できます。巻線フィールドモーターはしばしばACを使用してフィールドを生成しますが、DCでも問題なく動作し、おそらくACの場合よりもさらに大きなトルクがかかります。

私のPM「サーボ」モーターは、電力を制御するためにDCをチョッピングしている可能性がありますが、DCをチョッピングしているだけで、チョップごとに反転していません。AC PMサーボモーターに機械的な整流子を配置すると、DCで動作します。確かに、それほど効率的ではありませんが、正弦波形がないためではありません。また、機械的なブラシアドバンスを使用しないと、最高速度が制限されます。

DCが供給されている場合、明らかに「ACのみ」のモーターである二重巻きモーターの失速特性を考慮して、少し時間をかけてください。おそらく、私の議論を理解できるでしょう。ポールを引くことに加えて各ポールを押したい場合にのみ、ACを供給する必要があります。そうしないと、電源がACであっても、DCが必要なだけで、多くの場合、使用しているすべてです。

スレート

すべて：ブラシ付きマシンは、アーク放電を避けるために、おそらく48Vに制限されています。対照的に、ブラシレス機は、バッテリーとモーターの間に配置されたDCブーストコンバーターによって480V以上に昇圧された240Vバッテリーで簡単に実行できます。現在のハイブリッド車やプラグイン車のほとんどで使用されているような高電圧により、速度制御の損失は伝達される総電力に対して最小限に抑えられるため、高効率が促進されます。

実際、TeslaはACとDCの両方を使用する同期電動機を使用しています。モーターがACだけを使用した場合、非同期誘導モーターになります。これは、ローターに電圧が誘導されると電磁界がスリップするため、車両で使用する予測不可能なモーターです（出力速度は、モーターの回転よりも遅い電磁界式：1分あたりの回転数=周波数* 60 /位相あたりの極対-速度のスリップ。

同期モーターでは、AC拡大ステーターコイル（従来の誘導モーターと同様）がありますが、DC拡大ローター（誘導モーターとは異なります）もあります。これを行うことにより、出力速度は理論上の最大速度（太陽時の速度）に達することができ、予測可能で効果的なモーターを車両で使用できるようになります。（式：1分あたりの回転数=周波数* 60 /位相ごとの極対）。

Teslaはこれを展開し、ESC（電子速度コントローラー）を使用できます。ESCは、バッテリーからのDC電源をAC電源に反転し、方形波を正弦波に変更し、アクセルペダルからの信号に合わせて周波数と振幅を変更し、処理された電力を送信する回路基板です。ステーターに。また、ローターへのDC電力の振幅を、ステーターへのAC電力に合わせて変更します。