Integrerte elektriske drivenheter

En integrert elektrisk drivenhet samler flere fremdriftsfunksjoner i én enhet. Som et minimum kombinerer den en trekkmotor og et reduksjonsgir. En svært integrert e-aksel kan også omfatte vekselretter, differensial, parkeringslås, smøring, pumper, kjølekanaler, sensorer og styreelektronikk.

Hva integrasjon betyr

Betegnelsene e-aksel, elektrisk drivenhet, elektrisk drivmodul og integrert drivenhet har ikke standardiserte produktgrenser. Én leverandør kan kalle en motor- og girkasseenhet for en e-aksel, mens en annen bruker samme betegnelse bare når vekselretter og differensial er inkludert.

Funksjonskjeden er fortsatt den samme:

høyspent likestrøm når vekselretteren;
styrt fasestrøm skaper motormoment;
reduksjonsgir omdanner motorhastighet til utgående dreiemoment;
en differensial eller separate girbaner fordeler dreiemomentet til hjulene;
lagre, smøring, kjøling, sensorer og programvare holder enheten innenfor driftsgrensene.

Integrasjonen endrer hvor disse grensene fysisk ligger. Den fjerner ikke de underliggende funksjonene.

Fordeler for innbygging og elektrisk oppbygning

Når vekselretteren monteres nær motoren, blir vekselstrømforbindelsene med høy strøm kortere. Korte strømskinner eller interne ledere kan redusere kabelmasse, motstand, induktans, elektromagnetiske utslipp, kontakter og monteringstrinn. Felles hus og strukturelle vegger kan redusere volumet og fjerne doble braketter.

BMWs femte generasjon av drivsystemet kombinerer motor, kraftelektronikk og girkasse i ett hus. Bosch beskriver en eAxle som samler de samme tre hovedfunksjonene, mens ZFs modulplattform også behandler programvare og, der det er nødvendig, en omformer som byggesteiner på systemnivå.

Kompakt innbygging kan frigjøre plass til battericeller, hjulopphengsgeometri, kollisjonsstruktur, kupe eller bagasje. Koaksiale oppsett stiller motoraksel, tannhjul, differensial og drivaksler på linje, mens oppsett med parallelle aksler forskyver motoren for å passe til akselhøyden og tilgjengelig plass. Ingen av løsningene er i seg selv mer effektiv. Tanninngrep, lagerbelastninger, utveksling, kjøling og plassbegrensninger avgjør resultatet.

Felles kjøling og smøring

Integrasjon gjør det mulig å utforme varmeveiene rundt hele systemet. En vann-glykol-krets kan kjøle vekselretteren og statorhuset, mens olje smører tannhjul og lagre og kjøler viklinger eller rotor direkte. Varme kan utveksles mellom olje, kjølevæske, kuldemedium og kjøretøyets overordnede termiske system.

En felles væske kan fjerne komponenter, men skaper krav til kompatibilitet. Smøremiddelet må ivareta tannkontakt, lagerlevetid, pumpedrift, elektrisk isolasjon, kompatibilitet med kobber og polymerer, kontroll av luftinnblanding og forutsigbar viskositet gjennom temperaturområdet. Metalliske slitasjepartikler må ikke nå følsomme elektriske isolasjonsavstander.

Tørrsumpsystemer bruker en pumpe til å samle opp oljen og levere den der den trengs, i stedet for å la roterende tannhjul være dypt nedsenket. Dette kan redusere omrøringstap og gi bedre kontroll over kjølingen, men pumpeeffekt, filtrering, ventiler og feilhåndtering blir da en del av drivenhetens virkningsgrad og holdbarhet.

Lagre, aksler og elektriske strømmer

Motorlagrene bærer høy rotorhastighet og opprettholder et smalt luftgap, mens girkasse- og differensiallagre tar opp separasjonskrefter fra tannhjulene og hjullaster. Arkitekturen bestemmer hvilke belastninger som deler en aksel eller et hus. Termisk utvidelse, husets stivhet, forspenning, smøring og produksjonsinnretting påvirker friksjon, støy og levetid.

Vekselretterens kobling kan skape fellesmodusspenning mellom rotor og stator. Hvis akselspenningen utlades gjennom et lager, kan gjentatte elektriske lysbuer skade løpebaner og smøremiddel. Ingeniører bruker jordingsbørster, ledende baner, isolerte lagre eller hybridlagre, fellesmodusfiltrering, viklingsdesign og vekselretterstyring for å håndtere denne risikoen.

Tetninger må holde smøremiddelet inne og forurensning ute uten for stor motstand. En tetning som fungerer godt ved lav hastighet, kan skape varme ved høyt motorturtall. Trykkendringer og luftblandet olje kompliserer oppgaven ytterligere.

NVH utformes på systemnivå

Motorens elektromagnetiske krefter, vekselretterkobling, eksitasjon fra tanninngrep, lagerfrekvenser, oljepumper og husresonanser ligger i forskjellige, men samvirkende deler av det hørbare spekteret. En stillere motor kan avdekke girhvin som tidligere var maskert.

Skråskårne tannhjul kan redusere brått tanninngrep, men skaper aksial belastning. Tannhjulenes mikrogeometri, overflatefinish, lagerstøtte, rotorsegmentering, koblingsstrategi, ribber i huset, fester og smøremiddel påvirker all lyden som når kupeen.

Integrasjon kan forbedre NVH ved å gi ingeniørene kontroll over hele strukturen. Den kan også koble kildene sterkere gjennom et felles hus. Simulering og dynamometertesting trenger derfor elektromagnetiske, strukturelle, akustiske og reguleringstekniske modeller i stedet for isolerte komponentmål.

Virkningsgrad og faren ved komponentoptimalisering

Den mest effektive motoren er ikke automatisk del av den mest effektive drivenheten. En motorgeometri som trenger høyere utveksling, kan øke gir- eller lagertap. En koblingsfrekvens som reduserer motorharmoniske svingninger, kan øke tapet i vekselretteren. Tykkere olje kan beskytte tannhjul under belastning og samtidig øke kalde omrøringstap.

Systemoptimalisering vurderer tap fra batteri til hjul gjennom den forventede driftssyklusen. Relevante tap omfatter:

ledning og kobling i vekselretteren;
elektromagnetiske tap i stator og rotor;
tannhjul, lagre, tetninger og oljeomrøring;
olje- og kjølevæskepumper;
styreelektronikk og aktuatorer;
akselfrakoblinger eller parkeringslåser når de er innkoblet eller roterer.

Derfor presenterer leverandører i økende grad motor, vekselretter, girkasse, kjøling og programvare som ett kalibrert produkt.

Holdbarhet, sikkerhet og service

En integrert enhet må tåle dreiemomentvendinger, kantsteinstøt som overføres gjennom aksler, forurensning fra veien, eksponering for kjølevæske og olje, vibrasjoner, termiske sykluser, overturtall og høyspenningsfeil. Parkeringslåser og frakoblingskoblinger legger til egne belastningstilfeller.

Færre eksterne forbindelser kan forbedre påliteligheten. Et felles hus kan også gjøre en lokal feil dyrere å reparere hvis servicestrategien innebærer å bytte hele enheten. Modulær intern konstruksjon, diagnosedekning, muligheter for væskeservice, utskiftbar kraftelektronikk og planer for gjenproduksjon avgjør om fysisk integrasjon også blir serviceintegrasjon.

Kollisjonssikkerheten må hindre brudd i huset, væskelekkasje, eksponert høyspenning og ukontrollert dreiemoment. Vekselretterens sikre tilstand og spenningen som en permanentmagnetmotor genererer ved hastighet, er fortsatt relevante selv etter at dreiemomentet er deaktivert.

Hva spesifikasjonene bør opplyse

En nyttig spesifikasjon for drivenheten identifiserer komponentene som inngår, og målegrensen. Den bør oppgi motortype, vekselretterteknologi, likespenning, girutveksling, motor- og utgående dreiemoment, topp- og kontinuerlig effekt, maksimal motorhastighet, kjølemetode, smørestrategi, total masse og om virkningsgraden omfatter vekselretteren og girkassen.

Uten denne grensen kan tall for effekttetthet og virkningsgrad fra ulike leverandører ikke sammenlignes rettferdig.

Fortsett gjennom motorserien

Gå tilbake til Electric Motors and Drive Units, eller les de tilknyttede kapitlene om traction inverter, motor cooling og reduction gears and transmissions.