Elmotorer och elektriska drivenheter

En elbils drivmotor ingår i ett tätt integrerat system där batteriet, växelriktaren, motorn, kylkretsen, reduktionsväxlarna, differentialen, däcken och styrprogramvaran tillsammans avgör hur effektivt elektrisk energi omvandlas till rörelse.

Den här navartikeln skiljer mellan tre frågor som ofta blandas ihop: hur olika motorfamiljer skapar vridmoment, hur en drivenhet är konstruerad och reglerad samt hur hela fordonet använder och mäter denna maskinvara.

Energins väg från batteriet till vägen

Högspänningsbatteriet levererar likström. En traktions-Traction inverters omvandlar genom switchning denna DC till reglerad flerfasström — normalt trefasig AC — vars amplitud, frekvens och fas bestämmer motorns vridmoment och varvtal. Motor control and efficiency maps översätter förarens begäran och fordonets gränser till de strömkommandon som växelriktaren följer.

Inuti motorn skapar strömmen i de stillastående lindningarna ett roterande magnetfält. Rotorn följer eller samverkar med fältet och driver utgående axel. Valen kring stator, rotor, lindningar, plåtpaket, isolering, luftgap, lager och tillverkningstoleranser behandlas i EV motor construction and windings.

En fast reduktionsväxel omvandlar normalt motorvarvtal till hjulmoment. Differentialen gör att de drivna hjulen kan rotera med olika hastighet i en kurva. I en modern Integrated electric drive units kan motor, växelriktare, reduktionsväxlar, differential, smörjning och kylkanaler dela ett kompakt hölje.

Så skapar en AC-drivmotor vridmoment

De flesta drivmotorer i elbilar har två huvudsakliga elektromagnetiska delar: en stator som står stilla och en rotor som roterar på andra sidan av ett smalt luftgap. Statorns tre faser spänningssätts i följd och skapar ett magnetfält som roterar runt luftgapet.

Motorfamiljen definieras främst av hur rotorn får sitt magnetfält och hur detta fält rör sig i förhållande till statorfältet:

En permanentmagnetiserad synkronmotor har magneter i eller på rotorn.
En elektriskt exciterad synkronmotor skapar rotorfältet med en likströmsmatad lindning.
En induktionsmotor inducerar ström i en ledande rotorbur; rotorn måste gå med en annan hastighet än statorfältet för att skapa vridmoment.
En reluktansmotor skapar vridmoment eftersom rotorn magnetiseras lättare i vissa riktningar än i andra.

”Synkron” beskriver rotorns hastighet i förhållande till det roterande statorfältet. Det betyder inte att rotorn och statorn är mekaniskt sammankopplade. Lagren bär rotorn, medan luftgapet håller de elektromagnetiska delarna fysiskt åtskilda.

Vridmoment, varvtal och effekt

Vridmoment är den vridande kraften på axeln. Effekt är den takt med vilken motorn utför arbete:

effekt = vridmoment × rotationshastighet

Detta samband förklarar elbilens karakteristiska vridmomentkurva. Från stillastående upp till motorns basvarvtal kan växelriktaren vanligtvis leverera tillräckligt med ström för ett brett område med konstant vridmoment. Över basvarvtalet blir spänningen och den motriktade elektromotoriska kraften de viktigaste begränsningarna. Regleringen försvagar det effektiva magnetfältet så att motorn kan rotera snabbare, samtidigt som det tillgängliga vridmomentet minskar. Effekten kan förbli ungefär konstant under en del av detta högre varvtalsområde.

Den exakta kurvan begränsas av batterieffekt, växelriktarens spänning och ström, motortemperatur, rotorvarvtal och mekaniska gränser. En angiven toppeffekt kan vara tillgänglig i endast några sekunder. Kontinuerlig effekt är den effekt som hela drivenheten kan upprätthålla under definierade kyl- och omgivningsförhållanden. EV motor testing and ratings förklarar varför mätgräns och provtid måste anges tillsammans med ett effektvärde.

Vid regenerativ bromsning fungerar samma maskin som generator. Hjulmomentet driver rotorn, växelriktaren reglerar generatorströmmen och elektrisk energi återförs till batteriet när batteritemperatur, laddningsnivå, väggrepp och systemgränser tillåter det.

De viktigaste motorfamiljerna i elbilar

Permanent-magnet synchronous motors är vanliga eftersom de kan kombinera hög effekttäthet med hög verkningsgrad i en användbar del av driftkartan. Konstruktioner med invändiga magneter kan skapa både permanentmagnetmoment och reluktansmoment. Deras fasta rotorflöde ger samtidigt konstruktionsutmaningar vid fältförsvagning, felspänning, materialförsörjning och värmehantering.

Induction (asynchronous) motors har varken rotormagneter eller elektriska kontakter. Deras rotorfält uppstår bara när statorexciteringen inducerar ström i buren. De är mekaniskt robusta och kan ha lågt elektromagnetiskt motstånd när de är strömlösa, vilket gör dem användbara både som primära drivmotorer och som motorer på en sekundär axel. Rotorströmmen tillför dock värme och förluster.

Electrically excited synchronous motors ersätter permanentmagneter med en reglerbar elektromagnet i rotorn. Genom att öka eller minska fältströmmen får konstruktörerna ytterligare en reglerparameter, bland annat för effektiv fältförsvagning vid högt varvtal. Priset är ett exciteringssystem, kopparförluster i rotorn och — där borstar och släpringar används — ytterligare mekaniska krav och hållbarhetskrav.

Reluctance motors omfattar magnetfria synkronreluktansmaskiner och switchade reluktansmaskiner samt permanentmagnetassisterade konstruktioner. De utnyttjar riktningsberoende skillnader i rotorns magnetiska reluktans. Enkla magnetfria rotorer är möjliga, men momenttäthet, krav på växelriktaren, momentrippel, akustik och reglering måste bedömas för hela systemet.

Axial-flux permanent-magnet motors beskriver en annan magnetisk geometri, inte en separat källa till rotorexcitering. De flesta axialflödesmotorer för fordon är permanentmagnetiserade synkronmaskiner där huvudflödet korsar luftgapet parallellt med axeln. Deras stora aktiva radie och korta axiella byggmått kan ge hög momenttäthet, men kylning, kontroll av luftgapet, axialkrafter och massproduktion är krävande.

Varför ingen motortyp helt enkelt är bäst

En motor har inte ett enda verkningsgradsvärde. Den har en verkningsgradskarta över varvtal och vridmoment, och fordonet använder olika delar av kartan vid stadskörning, motorvägskörning, stigningar, släpvagnskörning och kraftig acceleration. Växelriktaren och växellådan har egna kartor, så konstruktörerna optimerar hela drivenheten för den avsedda driftcykeln.

De viktigaste förlusterna ändras också med driftpunkten:

lindningsresistansen skapar kopparförluster som ökar kraftigt med strömmen;
varierande magnetfält skapar hysteres- och virvelströmsförluster i elplåt och andra ledande delar;
induktionsrotorer och elektriskt exciterade rotorer tillför kopparförluster i rotorn;
växelriktaren har lednings- och switchförluster;
lager, tätningar, kugghjul, oljepumpar och omrörning av oljan skapar mekaniska förluster.

Motorvalet balanserar därför verkningsgrad över den användbara delen av kartan, effekt- och momenttäthet, materialkostnad och försörjning, växelriktarens dimensionering, kylbehov, maximalt varvtal, akustik, reglerbarhet, tillverkningsutbyte, hållbarhet och servicevänlighet. En motor som är något mindre effektiv vid sin bästa punkt kan ge ett effektivare fordon om dess användbara område med hög verkningsgrad bättre motsvarar fordonets körbelastning.

En motor eller flera

En enda motor kan driva fram- eller bakaxeln genom en differential. Två motorer ger normalt oberoende reglerat vridmoment på fram- och bakaxeln och möjliggör fyrhjulsdrift utan en mekanisk kardanaxel. Tillverkarna kan använda samma motortyp på båda axlarna eller kombinera olika typer för att dra nytta av olika egenskaper för verkningsgrad och frirullning.

System med tre motorer placerar vanligen en motor på den ena axeln och två oberoende reglerade motorer på den andra. System med fyra motorer kan använda en motor per hjul eller två motorer per axel som är anslutna via separata kuggvägar. Oberoende motorer skapar hårdvarumöjligheten för snabb momentvektorering, men den verkliga förmågan beror på sensorer, växelriktarkapacitet, däckgrepp, termiska gränser, utväxling och styrprogramvara.

Extra motorer ger inte kostnadsfri prestanda. De ökar massa, kostnad och kylbehov samt tillför växelriktare, kablar, lager och parasitförluster. Frikopplingskopplingar och strömlösa induktionsmotorer kan minska förbrukningsstraffet från en sekundär axel vid jämn körning. Multi-motor EV architectures går igenom arkitekturer med en, två, tre och fyra motorer i detalj.

Att läsa specifikationer för elmotorer

Användbara motordata bör svara på mer än ”hur många kilowatt?”. Kontrollera om en uppgift avser topp- eller kontinuerlig effekt, om den gäller en motor, en axel eller hela fordonet och om det angivna vridmomentet mäts på motoraxeln eller vid hjulen efter reduktionsväxeln.

De mest informativa tekniska uppgifterna omfattar:

motortopologi och placering;
topp- och kontinuerlig effekt under angivna förhållanden;
toppmoment och maximalt motorvarvtal;
DC-busspänning, växelriktarström och halvledartyp;
utväxling och drivlinans verkningsgrad;
verkningsgradskartor för motor och växelriktare vid framdrivning och regenerering;
kylmetod och termiska gränser;
om sekundära motorer kan göras strömlösa eller frikopplas;
mätgräns, temperaturer och provningsförfarande.

Dessa uppgifter förklarar varför två fordon med liknande toppeffekt kan skilja sig i motorvägsförbrukning, upprepad acceleration, dragförmåga, buller och uthållig kapacitet vid hög hastighet.

Läs serien i ordning

Börja med motorfamiljerna:

Följ sedan kedjan för maskinvara och energistyrning:

Avsluta med fordonsarkitektur och tekniska belägg:

Navigeringsflikarna följer samma ordning.