Elektriske motorer og drivenheder

En elbils traktionsmotor indgår i et tæt integreret system, hvor batteriet, inverteren, motoren, kølekredsløbet, reduktionsgearet, differentialet, dækkene og styresoftwaren tilsammen bestemmer, hvor effektivt elektrisk energi bliver omsat til bevægelse.

Denne oversigtsartikel adskiller tre spørgsmål, som ofte blandes sammen: hvordan forskellige motorfamilier skaber moment, hvordan en drivenhed er konstrueret og styret, og hvordan hele køretøjet anvender og måler denne hardware.

Energiens vej fra batteriet til vejen

Højspændingsbatteriet leverer jævnstrøm. En traktions-Traction inverters omskifter denne DC til styret flerfaset strøm — normalt trefaset AC — hvis amplitude, frekvens og fase bestemmer motorens moment og hastighed. Motor control and efficiency maps omsætter førerens ønske og køretøjets grænser til de strømkommandoer, som inverteren følger.

Inde i motoren skaber strømmen i de stationære viklinger et roterende magnetfelt. Rotoren følger eller vekselvirker med dette felt og drejer udgangsakslen. Valgene vedrørende stator, rotor, viklinger, lamineringer, isolering, luftgab, lejer og fremstillingstolerancer behandles i EV motor construction and windings.

Et fast reduktionsgear omsætter normalt motorhastighed til hjulmoment. Differentialet gør det muligt for de trækkende hjul at dreje med forskellig hastighed i et sving. I en moderne Integrated electric drive units kan motor, inverter, reduktionsgear, differentiale, smøring og kølekanaler dele ét kompakt hus.

Sådan skaber en AC-traktionsmotor moment

De fleste traktionsmotorer til elbiler har to elektromagnetiske hoveddele: en stator, der står stille, og en rotor, der drejer på den anden side af et smalt luftgab. De tre statorfaser aktiveres i rækkefølge og danner et magnetfelt, som roterer rundt i luftgabet.

Motorfamilien defineres hovedsageligt af, hvordan rotoren får sit magnetfelt, og hvordan dette felt bevæger sig i forhold til statorfeltet:

En permanentmagnet-synkronmotor har magneter i eller på rotoren.
En elektrisk exciteret synkronmotor skaber rotorfeltet med en DC-forsynet vikling.
En induktionsmotor inducerer strøm i en ledende rotorbur; rotoren skal køre med en anden hastighed end statorfeltet for at skabe moment.
En reluktansmotor skaber moment, fordi dens rotor lettere magnetiseres i nogle retninger end i andre.

”Synkron” beskriver rotorens hastighed i forhold til det roterende statorfelt. Det betyder ikke, at rotor og stator er mekanisk forbundet. Lejerne bærer rotoren, mens luftgabet holder de elektromagnetiske dele fysisk adskilt.

Moment, hastighed og effekt

Moment er den drejende kraft på akslen. Effekt er den hastighed, hvormed motoren udfører arbejde:

effekt = moment × rotationshastighed

Denne sammenhæng forklarer elbilens karakteristiske momentkurve. Fra stilstand til motorens basishastighed kan inverteren normalt levere tilstrækkelig strøm til et bredt område med konstant moment. Over basishastigheden bliver spænding og modelektromotorisk kraft de vigtigste begrænsninger. Styringen svækker det effektive magnetfelt, så motoren kan dreje hurtigere, mens det tilgængelige moment falder. Effekten kan forblive omtrent konstant i en del af dette højere hastighedsområde.

Den nøjagtige kurve begrænses af batterieffekt, inverterens spænding og strøm, motortemperatur, rotorhastighed og mekaniske grænser. En oplyst spidseffekt er måske kun tilgængelig i få sekunder. Kontinuerlig effekt er den effekt, som hele drivenheden kan opretholde under definerede køle- og miljøforhold. EV motor testing and ratings forklarer, hvorfor målegrænse og prøvetid skal følge en effektangivelse.

Under regenerativ bremsning fungerer den samme maskine som generator. Hjulmomentet driver rotoren, inverteren styrer generatorstrømmen, og elektrisk energi føres tilbage til batteriet, når batteritemperatur, ladetilstand, vejgreb og systemgrænser tillader det.

De vigtigste motorfamilier i elbiler

Permanent-magnet synchronous motors er udbredte, fordi de kan kombinere høj effekttæthed med høj virkningsgrad i en nyttig del af driftskortet. Konstruktioner med indvendige magneter kan skabe både permanentmagnetmoment og reluktansmoment. Deres faste rotorflux giver samtidig konstruktionsudfordringer ved feltsvækkelse, fejlspænding, materialeforsyning og varmehåndtering.

Induction (asynchronous) motors har hverken rotormagneter eller elektriske kontakter. Deres rotorfelt findes kun, når statorexcitationen inducerer strøm i buret. De er mekanisk robuste og kan have lav elektromagnetisk modstand, når de er uden strøm, hvilket gør dem nyttige både som primære traktionsmotorer og som motorer på en sekundær aksel. Rotorstrømmen tilfører dog varme og tab.

Electrically excited synchronous motors erstatter permanentmagneter med en styrbar elektromagnet i rotoren. Når feltstrømmen øges eller reduceres, får ingeniørerne endnu en reguleringsvariabel, herunder effektiv feltsvækkelse ved høj hastighed. Prisen er et excitationssystem, kobbertab i rotoren og — hvor der bruges børster og slæberinge — yderligere mekaniske krav og holdbarhedskrav.

Reluctance motors omfatter magnetfrie synkronreluktansmaskiner og koblede reluktansmaskiner samt permanentmagnetassisterede konstruktioner. De udnytter retningsbestemte forskelle i rotorens magnetiske reluktans. Enkle magnetfrie rotorer er mulige, men momenttæthed, krav til inverteren, momentrippel, akustik og styring skal vurderes for hele systemet.

Axial-flux permanent-magnet motors beskriver en anden magnetisk geometri, ikke en særskilt kilde til rotorexcitation. De fleste aksialfluxmotorer til biler er permanentmagnet-synkronmaskiner, hvis hovedflux krydser luftgabet parallelt med akslen. Deres store aktive radius og korte aksiale udformning kan give høj momenttæthed, men køling, kontrol af luftgabet, aksialkræfter og masseproduktion er krævende.

Hvorfor ingen motortype ganske enkelt er bedst

En motor har ikke ét virkningsgradstal. Den har et virkningsgradskort over hastighed og moment, og et køretøj besøger forskellige dele af dette kort ved bykørsel, motorvejskørsel, stigninger, bugsering og kraftig acceleration. Inverteren og gearkassen har deres egne kort, så ingeniørerne optimerer hele drivenheden til den tilsigtede driftscyklus.

De vigtigste tab ændrer sig også med driftspunktet:

viklingsmodstanden skaber kobbertab, som stiger kraftigt med strømmen;
skiftende magnetfelter skaber hysterese- og hvirvelstrømstab i elektrisk stål og andre ledende dele;
induktionsrotorer og elektrisk exciterede rotorer tilføjer kobbertab i rotoren;
inverteren har lednings- og koblingstab;
lejer, tætninger, tandhjul, oliepumper og olieomrøring skaber mekaniske tab.

Motorvalget afvejer derfor virkningsgrad på den nyttige del af kortet, effekt- og momenttæthed, materialeomkostninger og forsyning, inverterens dimensionering, kølebehov, maksimal hastighed, akustik, styrbarhed, produktionsudbytte, holdbarhed og servicevenlighed. En motor, der er lidt mindre effektiv på sit bedste punkt, kan give et mere effektivt køretøj, hvis dens nyttige højeffektive område passer bedre til køretøjets kørselsbelastning.

Én motor eller flere

En enkelt motor kan drive for- eller bagakslen gennem et differentiale. To motorer leverer normalt uafhængigt styret moment på for- og bagaksel og muliggør firehjulstræk uden en mekanisk kardanaksel. Producenterne kan bruge samme motortype på begge aksler eller blande typer for at udnytte forskellige egenskaber for virkningsgrad og friløb.

Systemer med tre motorer placerer normalt én motor på den ene aksel og to uafhængigt styrede motorer på den anden. Systemer med fire motorer kan bruge én motor til hvert hjul eller to motorer pr. aksel forbundet via separate gearveje. Uafhængige motorer giver den hardwaremæssige mulighed for hurtig momentvektorering, men den reelle evne afhænger af sensorer, inverterkapacitet, dækkenes vejgreb, termiske grænser, gearing og styresoftware.

Ekstra motorer giver ikke gratis ydelse. De øger masse, omkostninger, kølebelastning og antallet af invertere, kabler og lejer samt tilfører parasitære tab. Frakoblingskoblinger og strømløse induktionsmotorer kan mindske forbrugsstraffen fra en sekundær aksel under jævn kørsel. Multi-motor EV architectures gennemgår arkitekturer med én, to, tre og fire motorer i detaljer.

Sådan læses specifikationer for elmotorer

Nyttige motordata bør besvare mere end ”hvor mange kilowatt?”. Kontrollér, om et tal er spidsværdi eller kontinuerlig værdi, om det gælder én motor, én aksel eller hele køretøjet, og om det oplyste moment er målt på motorakslen eller ved hjulene efter reduktionsgearet.

De mest informative tekniske data omfatter:

motortopologi og placering;
spidseffekt og kontinuerlig effekt under de angivne forhold;
spidsmoment og maksimal motorhastighed;
DC-mellemkredsspænding, inverterstrøm og halvledertype;
gearudveksling og drivlinjens virkningsgrad;
virkningsgradskort for motor og inverter ved fremdrift og regenerering;
kølemetode og termiske grænser;
om sekundære motorer kan gøres strømløse eller frakobles;
målegrænsen, temperaturerne og prøveproceduren.

Disse oplysninger forklarer, hvorfor to køretøjer med samme spidseffekt kan være forskellige med hensyn til motorvejsforbrug, gentagen acceleration, bugseringsevne, støj og vedvarende kapacitet ved høj hastighed.

Læs serien i rækkefølge

Begynd med motorfamilierne:

Følg derefter hardware- og energistyringskæden:

Afslut med køretøjsarkitektur og teknisk dokumentation:

Navigationsfanerne følger samme rækkefølge.