Elektriske motorer og drivenheter

Trekkmotoren i en elbil inngår i et tett integrert system der batteriet, vekselretteren, motoren, kjølekretsen, reduksjonsgirene, differensialen, dekkene og styringsprogramvaren sammen avgjør hvor effektivt elektrisk energi blir omdannet til bevegelse.

Denne oversiktsartikkelen skiller mellom tre spørsmål som ofte blandes sammen: hvordan ulike motorfamilier skaper dreiemoment, hvordan en drivenhet er konstruert og styrt, og hvordan hele kjøretøyet bruker og måler denne maskinvaren.

Energiens vei fra batteriet til veien

Høyspenningsbatteriet leverer likestrøm. En trekk-Traction inverters svitsjer denne DC-en til kontrollert flerfasestrøm — normalt trefaset AC — der amplitude, frekvens og fase bestemmer motorens dreiemoment og turtall. Motor control and efficiency maps oversetter førerens ønske og kjøretøyets grenser til strømkommandoene som vekselretteren følger.

Inne i motoren skaper strømmen i de stillestående viklingene et roterende magnetfelt. Rotoren følger eller samvirker med dette feltet og dreier utgående aksel. Valgene knyttet til stator, rotor, viklinger, lamineringer, isolasjon, luftgap, lagre og produksjonstoleranser behandles i EV motor construction and windings.

Et fast reduksjonsgir omsetter normalt motorturtall til dreiemoment på hjulene. Differensialen gjør at drivhjulene kan rotere med ulik hastighet i en sving. I en moderne Integrated electric drive units kan motor, vekselretter, reduksjonsgir, differensial, smøring og kjølekanaler dele ett kompakt hus.

Slik skaper en AC-trekkmotor dreiemoment

De fleste trekkmotorer for elbiler har to elektromagnetiske hoveddeler: en stator som står stille, og en rotor som roterer på den andre siden av et smalt luftgap. De tre statorfasene spenningssettes i rekkefølge og skaper et magnetfelt som roterer rundt luftgapet.

Motorfamilien defineres hovedsakelig av hvordan rotoren får magnetfeltet sitt, og hvordan dette feltet beveger seg i forhold til statorfeltet:

En permanentmagnet-synkronmotor har magneter i eller på rotoren.
En elektrisk eksitert synkronmotor skaper rotorfeltet med en likestrømsmatet vikling.
En induksjonsmotor induserer strøm i et ledende rotorbur; rotoren må gå med en annen hastighet enn statorfeltet for å skape dreiemoment.
En reluktansmotor skaper dreiemoment fordi rotoren lettere magnetiseres i noen retninger enn i andre.

«Synkron» beskriver rotorens hastighet i forhold til det roterende statorfeltet. Det betyr ikke at rotor og stator er mekanisk forbundet. Lagrene bærer rotoren, mens luftgapet holder de elektromagnetiske delene fysisk adskilt.

Dreiemoment, turtall og effekt

Dreiemoment er den vridende kraften på akselen. Effekt er hastigheten som motoren utfører arbeid med:

effekt = dreiemoment × rotasjonshastighet

Denne sammenhengen forklarer elbilens karakteristiske dreiemomentkurve. Fra stillestående til motorens basisturtall kan vekselretteren vanligvis levere nok strøm til et bredt område med konstant dreiemoment. Over basisturtallet blir spenning og mot-elektromotorisk kraft de viktigste begrensningene. Styringen svekker det effektive magnetfeltet slik at motoren kan rotere raskere, mens det tilgjengelige dreiemomentet faller. Effekten kan holde seg omtrent konstant gjennom deler av dette høyere turtallsområdet.

Den nøyaktige kurven begrenses av batterieffekt, vekselretterens spenning og strøm, motortemperatur, rotorturtall og mekaniske grenser. En oppgitt toppeffekt kan være tilgjengelig i bare noen sekunder. Kontinuerlig effekt er effekten hele drivenheten kan opprettholde under definerte kjøle- og miljøforhold. EV motor testing and ratings forklarer hvorfor målegrense og testvarighet må følge en effektangivelse.

Ved regenerativ bremsing fungerer den samme maskinen som en generator. Hjulmomentet driver rotoren, vekselretteren styrer generatorstrømmen, og elektrisk energi føres tilbake til batteriet når batteritemperatur, ladenivå, veigrep og systemgrenser tillater det.

De viktigste motorfamiliene i elbiler

Permanent-magnet synchronous motors er vanlige fordi de kan kombinere høy effekttetthet med høy virkningsgrad i en nyttig del av driftskartet. Konstruksjoner med innvendige magneter kan skape både permanentmagnetmoment og reluktansmoment. Den faste rotorfluksen gir samtidig konstruksjonsutfordringer knyttet til feltsvekkelse, feilspenning, materialforsyning og varmehåndtering.

Induction (asynchronous) motors har verken rotormagneter eller elektriske kontakter. Rotorfeltet finnes bare når statoreksitasjonen induserer strøm i buret. De er mekanisk robuste og kan ha lav elektromagnetisk motstand når de er strømløse, noe som gjør dem nyttige både som primære trekkmotorer og som motorer på en sekundær aksel. Rotorstrømmen tilfører imidlertid varme og tap.

Electrically excited synchronous motors erstatter permanentmagneter med en regulerbar elektromagnet i rotoren. Ved å øke eller redusere feltstrømmen får ingeniørene en ekstra reguleringsvariabel, blant annet for effektiv feltsvekkelse ved høyt turtall. Prisen er et eksitasjonssystem, kobbertap i rotoren og — der børster og sleperinger brukes — ytterligere mekaniske krav og holdbarhetskrav.

Reluctance motors omfatter magnetfrie synkronreluktansmaskiner og svitsjede reluktansmaskiner samt permanentmagnetassisterte konstruksjoner. De utnytter retningsavhengige forskjeller i rotorens magnetiske reluktans. Enkle magnetfrie rotorer er mulige, men dreiemomenttetthet, krav til vekselretteren, dreiemomentrippel, akustikk og styring må vurderes for hele systemet.

Axial-flux permanent-magnet motors beskriver en annen magnetisk geometri, ikke en egen kilde til rotoreksitasjon. De fleste aksialfluksmotorer for biler er permanentmagnet-synkronmaskiner der hovedfluksen krysser luftgapet parallelt med akselen. Den store aktive radiusen og korte aksiale utformingen kan gi høy dreiemomenttetthet, men kjøling, kontroll av luftgapet, aksialkrefter og masseproduksjon er krevende.

Hvorfor ingen motortype ganske enkelt er best

En motor har ikke ett enkelt virkningsgradstall. Den har et virkningsgradskart over turtall og dreiemoment, og kjøretøyet bruker ulike deler av kartet ved bykjøring, motorveikjøring, stigninger, tilhengerkjøring og kraftig akselerasjon. Vekselretteren og girkassen har egne kart, så ingeniørene optimaliserer hele drivenheten for den tiltenkte driftssyklusen.

De viktigste tapene endrer seg også med driftspunktet:

viklingsmotstanden skaper kobbertap som øker kraftig med strømmen;
skiftende magnetfelt skaper hysterese- og virvelstrømstap i elektrisk stål og andre ledende deler;
induksjonsrotorer og elektrisk eksiterte rotorer tilfører kobbertap i rotoren;
vekselretteren har lednings- og svitsjetap;
lagre, tetninger, tannhjul, oljepumper og omrøring av olje skaper mekaniske tap.

Motorvalget balanserer derfor virkningsgrad over den nyttige delen av kartet, effekt- og dreiemomenttetthet, materialkostnad og forsyning, vekselretterens dimensjonering, kjølebehov, maksimalt turtall, akustikk, styrbarhet, produksjonsutbytte, holdbarhet og servicevennlighet. En motor som er litt mindre effektiv på sitt beste punkt, kan gi et mer effektivt kjøretøy dersom det nyttige området med høy virkningsgrad passer bedre til kjøretøyets kjørebelastning.

Én motor eller flere

En enkelt motor kan drive for- eller bakakselen gjennom en differensial. To motorer gir normalt uavhengig styrt dreiemoment på for- og bakaksel og muliggjør firehjulsdrift uten en mekanisk mellomaksel. Produsentene kan bruke samme motortype på begge aksler eller kombinere typer for å utnytte ulike egenskaper for virkningsgrad og frirulling.

Systemer med tre motorer plasserer vanligvis én motor på den ene akselen og to uavhengig styrte motorer på den andre. Systemer med fire motorer kan bruke én motor per hjul eller to motorer per aksel koblet gjennom separate girbaner. Uavhengige motorer gir maskinvaremuligheten for rask dreiemomentvektorering, men den reelle evnen avhenger av sensorer, vekselretterkapasitet, dekkgrep, termiske grenser, utveksling og styringsprogramvare.

Ekstra motorer gir ikke gratis ytelse. De øker masse, kostnad og kjølebelastning og tilfører vekselrettere, kabler, lagre og parasittiske tap. Frakoblingsclutcher og strømløse induksjonsmotorer kan redusere forbruksulempen fra en sekundær aksel under jevn kjøring. Multi-motor EV architectures gjennomgår arkitekturer med én, to, tre og fire motorer i detalj.

Slik leser du spesifikasjoner for elmotorer

Nyttige motordata bør besvare mer enn «hvor mange kilowatt?». Kontroller om et tall er topp- eller kontinuerlig verdi, om det gjelder én motor, én aksel eller hele kjøretøyet, og om det oppgitte dreiemomentet er målt på motorakselen eller ved hjulene etter reduksjonsgiret.

De mest informative tekniske dataene omfatter:

motortopologi og plassering;
topp- og kontinuerlig effekt under oppgitte forhold;
toppdreiemoment og maksimalt motorturtall;
DC-busspenning, vekselretterstrøm og halvledertype;
girutveksling og drivlinjens virkningsgrad;
virkningsgradskart for motor og vekselretter ved fremdrift og regenerering;
kjølemetode og termiske grenser;
om sekundære motorer kan gjøres strømløse eller kobles fra;
målegrensen, temperaturene og testprosedyren.

Disse opplysningene forklarer hvorfor to kjøretøy med lignende toppeffekt kan være forskjellige når det gjelder motorveiforbruk, gjentatt akselerasjon, tilhengerkapasitet, støy og vedvarende kapasitet ved høy hastighet.

Les serien i rekkefølge

Begynn med motorfamiliene:

Følg deretter kjeden for maskinvare og energistyring:

Avslutt med kjøretøyarkitektur og teknisk dokumentasjon:

Navigasjonsfanene følger samme rekkefølge.