Sähkömoottorit ja sähköiset voimansiirtoyksiköt

Sähköauton ajomoottori kuuluu tiiviisti yhteensovitettuun järjestelmään, jossa akku, invertteri, moottori, jäähdytyspiiri, alennusvaihteet, tasauspyörästö, renkaat ja ohjausohjelmisto ratkaisevat yhdessä, kuinka tehokkaasti sähköenergia muuttuu liikkeeksi.

Tässä keskussivussa erotetaan kolme usein keskenään sekoitettua kysymystä: miten eri moottoriperheet tuottavat vääntömomenttia, miten voimansiirtoyksikkö rakennetaan ja sitä ohjataan sekä miten koko ajoneuvo käyttää ja mittaa tätä laitteistoa.

Energian reitti akusta tiehen

Korkeajänniteakku syöttää tasavirtaa. Ajon Traction inverters kytkee tämän DC:n hallituksi monivaihevirraksi — tavallisesti kolmivaiheiseksi AC:ksi — jonka amplitudi, taajuus ja vaihe määräävät moottorin vääntömomentin ja nopeuden. Motor control and efficiency maps muuntaa kuljettajan pyynnön ja ajoneuvon rajat virtakomennoiksi, joita invertteri noudattaa.

Moottorin sisällä paikallaan olevien käämien virta luo pyörivän magneettikentän. Roottori seuraa tätä kenttää tai vaikuttaa sen kanssa ja pyörittää lähtöakselia. Staattoria, roottoria, käämejä, levypaketteja, eristystä, ilmaväliä, laakereita ja valmistustoleransseja koskevat valinnat käsitellään artikkelissa EV motor construction and windings.

Kiinteä alennusvälitys muuntaa tavallisesti moottorin pyörimisnopeutta pyörien vääntömomentiksi. Tasauspyörästö sallii vetävien pyörien pyöriä kaarteessa eri nopeuksilla. Nykyaikaisessa Integrated electric drive units moottori, invertteri, alennusvaihteet, tasauspyörästö, voitelu ja jäähdytyskanavat voivat olla samassa kompaktissa kotelossa.

Miten AC-ajomoottori tuottaa vääntömomenttia

Useimmissa sähköautojen ajomoottoreissa on kaksi sähkömagneettista pääosaa: paikallaan pysyvä staattori ja kapean ilmavälin toisella puolella pyörivä roottori. Staattorin kolme vaihetta energisoidaan järjestyksessä, jolloin syntyy ilmavälin ympäri pyörivä magneettikenttä.

Moottoriperhe määräytyy pääasiassa sen mukaan, miten roottori saa magneettikenttänsä ja miten kenttä liikkuu suhteessa staattorin kenttään:

Kestomagneettisynkronimoottorissa on magneetteja roottorin sisällä tai pinnalla.
Sähköisesti magnetoitu synkronimoottori luo roottorikentän tasavirralla syötetyllä käämillä.
Induktiomoottori indusoi virtaa johtavaan roottorihäkkiin; vääntömomentin tuottamiseksi roottorin täytyy pyöriä eri nopeudella kuin staattorin kenttä.
Reluktanssimoottori tuottaa vääntömomenttia, koska sen roottori magnetoituu joissakin suunnissa helpommin kuin toisissa.

”Synkroninen” kuvaa roottorin nopeutta suhteessa staattorin pyörivään kenttään. Se ei tarkoita, että roottori ja staattori olisivat mekaanisesti yhteydessä. Laakerit kannattelevat roottoria, ja ilmaväli pitää sähkömagneettiset osat fyysisesti erillään.

Vääntömomentti, nopeus ja teho

Vääntömomentti on akseliin kohdistuva kiertävä voima. Teho kertoo, millä nopeudella moottori tekee työtä:

teho = vääntömomentti × pyörimisnopeus

Tämä yhteys selittää sähköautolle ominaisen vääntömomenttikäyrän. Pysähdyksistä moottorin perusnopeuteen asti invertteri voi yleensä syöttää riittävästi virtaa laajalle vakiovääntömomentin alueelle. Perusnopeuden yläpuolella jännitteestä ja vastasähkömotorisesta voimasta tulee tärkeimmät rajoitteet. Ohjaus heikentää tehollista magneettikenttää, jotta moottori voi pyöriä nopeammin, samalla kun käytettävissä oleva vääntömomentti pienenee. Teho voi säilyä likimain vakiona osassa tätä suuremman nopeuden aluetta.

Tarkan käyrän rajoittavat akun teho, invertterin jännite ja virta, moottorin lämpötila, roottorin nopeus ja mekaaniset rajat. Ilmoitettu huipputeho voi olla käytettävissä vain muutaman sekunnin ajan. Jatkuva teho on teho, jonka koko voimansiirtoyksikkö pystyy ylläpitämään määritellyissä jäähdytys- ja ympäristöolosuhteissa. EV motor testing and ratings selittää, miksi mittausraja ja kokeen kesto täytyy ilmoittaa teholuvun yhteydessä.

Regeneratiivisessa jarrutuksessa sama kone toimii generaattorina. Pyörien vääntömomentti pyörittää roottoria, invertteri ohjaa generaattorivirtaa, ja sähköenergia palaa akkuun, kun akun lämpötila, varaustaso, pito ja järjestelmän rajat sen sallivat.

Sähköautojen tärkeimmät moottoriperheet

Permanent-magnet synchronous motors ovat yleisiä, koska niissä voidaan yhdistää suuri tehotiheys ja korkea hyötysuhde käyttöaluekartan hyödyllisessä osassa. Sisäisillä magneeteilla varustetut rakenteet voivat tuottaa sekä kestomagneetti- että reluktanssivääntömomenttia. Niiden kiinteä roottorivuo aiheuttaa myös kentänheikennykseen, vikatilanteen jännitteeseen, materiaalien saatavuuteen ja lämmönhallintaan liittyviä suunnitteluhaasteita.

Induction (asynchronous) motors eivät sisällä roottorimagneetteja eivätkä sähköisiä koskettimia. Niiden roottorikenttä syntyy vain, kun staattorin magnetointi indusoi virtaa häkkiin. Ne ovat mekaanisesti lujia ja niiden sähkömagneettinen vastus voi olla pieni virrattomana, minkä vuoksi niitä voidaan käyttää sekä pääasiallisina ajomoottoreina että toisen akselin moottoreina. Roottorivirta lisää kuitenkin lämpöä ja häviöitä.

Electrically excited synchronous motors korvaavat kestomagneetit roottorin säädettävällä sähkömagneetilla. Kenttävirran lisääminen tai vähentäminen antaa suunnittelijoille uuden säätömuuttujan, mukaan lukien tehokkaan kentänheikennyksen suurella nopeudella. Vastineeksi tarvitaan magnetointijärjestelmä, roottorissa syntyy kuparihäviöitä ja — harjoja ja liukurenkaita käytettäessä — mekaaniset ja kestävyysvaatimukset kasvavat.

Reluctance motors sisältävät magneetittomia synkronireluktanssi- ja kytkentäreluktanssikoneita sekä kestomagneettiavusteisia rakenteita. Ne hyödyntävät roottorin magneettisen reluktanssin suuntariippuvaisia eroja. Yksinkertaiset magneetittomat roottorit ovat mahdollisia, mutta vääntömomenttitiheys, invertterin vaatimukset, vääntömomentin aaltoilu, akustiikka ja ohjaus on arvioitava koko järjestelmän kannalta.

Axial-flux permanent-magnet motors kuvaavat erilaista magneettista geometriaa, eivät erillistä roottorin magnetointitapaa. Useimmat autojen aksiaalivuomoottorit ovat kestomagneettisynkronikoneita, joiden päävuo kulkee ilmavälin poikki akselin suuntaisesti. Niiden suuri aktiivinen säde ja lyhyt aksiaalinen rakenne voivat tuottaa suuren vääntömomenttitiheyden, mutta jäähdytys, ilmavälin hallinta, aksiaalivoimat ja massatuotanto ovat vaativia.

Miksi mikään moottorityyppi ei yksinkertaisesti ole paras

Moottorilla ei ole yhtä hyötysuhdelukua. Sillä on nopeuden ja vääntömomentin kattava hyötysuhdekartta, jonka eri alueita ajoneuvo käyttää kaupunkiajossa, moottoritiellä, nousuissa, perävaunua vedettäessä ja voimakkaissa kiihdytyksissä. Invertterillä ja vaihteistolla on omat karttansa, joten suunnittelijat optimoivat koko voimansiirtoyksikön aiottua käyttöjaksoa varten.

Myös tärkeimmät häviöt muuttuvat toimintapisteen mukana:

käämien resistanssi synnyttää kuparihäviöitä, jotka kasvavat voimakkaasti virran mukana;
muuttuvat magneettikentät synnyttävät hystereesi- ja pyörrevirtahäviöitä sähköteräksessä ja muissa johtavissa osissa;
induktioroottorit ja sähköisesti magnetoidut roottorit lisäävät roottorin kuparihäviöitä;
invertterissä syntyy johtumis- ja kytkentähäviöitä;
laakerit, tiivisteet, hammaspyörät, öljypumput ja öljyn sekoittuminen aiheuttavat mekaanisia häviöitä.

Moottorin valinnassa tasapainotetaan siksi hyötysuhdetta kartan hyödyllisellä alueella, teho- ja vääntömomenttitiheyttä, materiaalien kustannuksia ja saatavuutta, invertterin mitoitusta, jäähdytystarvetta, enimmäisnopeutta, akustiikkaa, ohjattavuutta, valmistussaantoa, kestävyyttä ja huollettavuutta. Parhaassa pisteessään hieman tehottomampi moottori voi tuottaa tehokkaamman ajoneuvon, jos sen hyödyllinen korkean hyötysuhteen alue vastaa paremmin ajoneuvon ajokuormitusta.

Yksi vai useita moottoreita

Yksi moottori voi käyttää etu- tai taka-akselia tasauspyörästön kautta. Kaksi moottoria tuottaa tavallisesti itsenäisesti ohjattua vääntömomenttia etu- ja taka-akselille, mikä mahdollistaa nelivedon ilman mekaanista kardaaniakselia. Valmistajat voivat käyttää samaa moottorityyppiä molemmilla akseleilla tai yhdistää eri tyyppejä hyödyntääkseen erilaisia hyötysuhde- ja vapaasti pyörimisen ominaisuuksia.

Kolmen moottorin järjestelmissä yhdellä akselilla on tavallisesti yksi moottori ja toisella kaksi itsenäisesti ohjattua moottoria. Neljän moottorin järjestelmissä voidaan käyttää yhtä moottoria pyörää kohti tai kahta moottoria akselia kohti erillisten hammaspyöräreittien kautta. Itsenäiset moottorit luovat laitteistovalmiuden nopeaan vääntömomentin vektorointiin, mutta todellinen kyky riippuu antureista, invertterikapasiteetista, renkaiden pidosta, lämpörajoista, välityksistä ja ohjausohjelmistosta.

Lisämoottorit eivät tuo suorituskykyä ilmaiseksi. Ne lisäävät massaa, kustannuksia, jäähdytyskuormaa, inverttereitä, kaapeleita, laakereita ja loishäviöitä. Irrotuskytkimet ja virrattomat induktiomoottorit voivat vähentää toisen akselin kulutushaittaa tasaisessa ajossa. Multi-motor EV architectures käsittelee yhden, kahden, kolmen ja neljän moottorin arkkitehtuurit yksityiskohtaisesti.

Sähkömoottorien teknisten tietojen lukeminen

Hyödyllisten moottoritietojen pitäisi vastata muuhunkin kuin kysymykseen ”kuinka monta kilowattia?”. Tarkista, onko luku huippu- vai jatkuva arvo, koskeeko se yhtä moottoria, yhtä akselia vai koko ajoneuvoa ja onko ilmoitettu vääntömomentti mitattu moottorin akselilta vai alennusvaihteen jälkeen pyöriltä.

Informatiivisimpia teknisiä tietoja ovat:

moottorin topologia ja sijainti;
huippu- ja jatkuva teho ilmoitetuissa olosuhteissa;
huippuvääntömomentti ja moottorin enimmäisnopeus;
DC-välipiirin jännite, invertterivirta ja puolijohdetyyppi;
välityssuhde ja voimansiirron hyötysuhde;
moottorin ja invertterin hyötysuhdekartat vedolla ja regeneroinnissa;
jäähdytysmenetelmä ja lämpörajat;
voidaanko toissijaiset moottorit tehdä virrattomiksi tai irrottaa;
mittausraja, lämpötilat ja testimenettely.

Nämä tiedot selittävät, miksi kaksi huipputeholtaan samankaltaista ajoneuvoa voivat erota moottoritiekulutuksessa, toistuvassa kiihdytyksessä, vetokyvyssä, melussa ja jatkuvassa suuren nopeuden suorituskyvyssä.

Lue sarja järjestyksessä

Aloita moottoriperheistä:

Seuraa sitten laitteiston ja energianohjauksen ketjua:

Päätä ajoneuvoarkkitehtuuriin ja tekniseen näyttöön:

Navigointivälilehdet noudattavat samaa järjestystä.