Integrerade elektriska drivenheter

En integrerad elektrisk drivenhet samlar flera framdrivningsfunktioner i en enda enhet. Som minst kombinerar den en drivmotor och en reduktionsväxel. En högintegrerad elaxel kan dessutom innehålla växelriktare, differential, parkeringsspärr, smörjning, pumpar, kylkanaler, sensorer och styrelektronik.

Vad integration innebär

Begreppen elaxel, elektrisk drivenhet, elektrisk drivmodul och integrerad drivenhet har inga standardiserade produktgränser. En leverantör kan kalla en motor- och växellådsenhet för en elaxel, medan en annan bara använder samma benämning när växelriktare och differential ingår.

Funktionskedjan är fortfarande densamma:

högspänd likström når växelriktaren;
styrd fasström skapar motorns vridmoment;
reduktionsväxlar omvandlar motorvarvtal till utgående vridmoment;
en differential eller separata växelvägar fördelar vridmomentet till hjulen;
lager, smörjning, kylning, sensorer och programvara håller enheten inom dess driftgränser.

Integrationen förändrar var dessa gränser finns fysiskt. Den tar inte bort de underliggande funktionerna.

Fördelar för paketering och elsystem

Om växelriktaren monteras nära motorn blir växelströmsanslutningarna för hög ström kortare. Korta strömskenor eller interna ledare kan minska kabelmassa, resistans, induktans, elektromagnetiska emissioner, kontakter och monteringssteg. Gemensamma höljen och strukturella väggar kan minska paketvolymen och eliminera dubbla fästen.

BMW:s femte generation av drivsystem kombinerar motor, kraftelektronik och transmission i ett hölje. Bosch beskriver en eAxle som förenar samma tre huvudfunktioner, medan ZF:s modulplattform också behandlar programvara och, där det behövs, en omvandlare som byggstenar på systemnivå.

Kompakt paketering kan frigöra utrymme för battericeller, hjulupphängningsgeometri, krockstruktur, kupé eller bagage. Koaxiala layouter riktar in motoraxel, kugghjul, differential och drivaxlar, medan layouter med parallella axlar förskjuter motorn för att passa axelhöjd och tillgängligt utrymme. Ingen av dem är i sig effektivare. Kuggengrepp, lagerbelastningar, utväxling, kylning och utrymmesbegränsningar avgör resultatet.

Gemensam kylning och smörjning

Integrationen gör att värmevägarna kan utformas kring hela systemet. En vatten-glykolkrets kan kyla växelriktaren och statorhöljet, medan olja smörjer kugghjul och lager och kyler lindningar eller rotor direkt. Värme kan utbytas mellan olja, kylvätska, köldmedium och fordonets övergripande värmesystem.

En gemensam vätska kan eliminera komponenter, men skapar kompatibilitetskrav. Smörjmedlet måste stödja kuggkontakt, lagerlivslängd, pumpdrift, elektrisk isolering, kompatibilitet med koppar och polymerer, kontroll av luftinblandning och förutsägbar viskositet över temperaturområdet. Metalliska slitpartiklar får inte nå känsliga elektriska isolationsavstånd.

Torrsumpsystem använder en pump för att samla upp olja och leverera den där den behövs, i stället för att låta roterande kugghjul vara djupt nedsänkta. Det kan minska omrörningsförluster och förbättra kontrollen av kylningen, men pumpeffekt, filtrering, ventiler och felhantering blir då en del av drivenhetens verkningsgrad och hållbarhet.

Lager, axlar och elektriska strömmar

Motorlager bär upp höga rotorvarvtal och upprätthåller ett smalt luftgap, medan växellåds- och differentiallager tar upp kuggseparationskrafter och hjullaster. Arkitekturen avgör vilka belastningar som delar axel eller hölje. Värmeutvidgning, höljets styvhet, förspänning, smörjning och tillverkningsinriktning påverkar friktion, ljud och livslängd.

Växelriktarens omkoppling kan skapa common mode-spänning mellan rotor och stator. Om axelspänningen urladdas genom ett lager kan upprepade elektriska ljusbågar skada löpbanor och smörjmedel. Ingenjörer använder jordningsborstar, ledande vägar, isolerade eller hybridlager, common mode-filtrering, lindningskonstruktion och växelriktarstyrning för att hantera risken.

Tätningar måste hålla smörjmedlet inne och föroreningar ute utan alltför stort motstånd. En tätning som fungerar bra vid låg hastighet kan alstra värme vid högt motorvarvtal. Tryckförändringar och luftblandad olja komplicerar uppgiften ytterligare.

NVH utformas på systemnivå

Motorns elektromagnetiska krafter, växelriktarens omkoppling, excitation från kuggengrepp, lagerfrekvenser, oljepumpar och höljets resonanser upptar olika men samverkande delar av det hörbara spektrumet. En tystare motor kan avslöja ett växelvin som tidigare maskerades.

Snedskurna kugghjul kan minska tvärt kuggengrepp men skapar axiell belastning. Kuggtändernas mikrogeometri, ytfinish, lagerstöd, rotorsegmentering, omkopplingsstrategi, höljets ribbor, fästen och smörjmedel påverkar allt ljudet som når kupén.

Integration kan förbättra NVH genom att ge ingenjörerna kontroll över hela strukturen. Den kan också koppla samman källor starkare via ett gemensamt hölje. Simulering och dynamometertestning behöver därför elektromagnetiska, strukturella, akustiska och reglertekniska modeller i stället för isolerade komponentmål.

Verkningsgrad och risken med komponentoptimering

Den effektivaste motorn ingår inte automatiskt i den effektivaste drivenheten. En motorgeometri som behöver högre utväxling kan öka växel- eller lagerförluster. En omkopplingsfrekvens som minskar motorövertoner kan höja växelriktarförlusterna. Tjockare olja kan skydda kugghjul under belastning men samtidigt öka kalla omrörningsförluster.

Systemoptimering utvärderar förlusten från batteri till hjul över den förväntade arbetscykeln. Relevanta förluster omfattar:

ledning och omkoppling i växelriktaren;
elektromagnetiska förluster i stator och rotor;
kugghjul, lager, tätningar och oljeomrörning;
olje- och kylvätskepumpar;
styrelektronik och ställdon;
axelfrånkopplingar eller parkeringsspärrar när de är inkopplade eller roterar.

Det är därför leverantörer i allt högre grad presenterar motor, växelriktare, transmission, kylning och programvara som en kalibrerad produkt.

Hållbarhet, säkerhet och service

En integrerad enhet måste tåla vridmomentsväxlingar, kantstötar som överförs genom axlar, vägföroreningar, exponering för kylvätska och olja, vibrationer, temperaturcykler, övervarv och högspänningsfel. Parkeringsspärrar och frånkopplingskopplingar tillför egna belastningsfall.

Färre externa anslutningar kan förbättra tillförlitligheten. Ett gemensamt hölje kan också göra ett lokalt fel dyrare att reparera om servicestrategin innebär byte av hela enheten. Modulär intern konstruktion, diagnostäckning, möjligheter till vätskeservice, utbytbar kraftelektronik och planer för återtillverkning avgör om fysisk integration även blir serviceintegration.

Krocksäkerheten måste förhindra höljesbrott, vätskeläckage, exponerad högspänning och okontrollerat vridmoment. Växelriktarens säkra tillstånd och spänningen som en permanentmagnetmotor genererar vid hastighet är fortfarande relevanta även efter att vridmomentet har inaktiverats.

Vad specifikationerna bör redovisa

En användbar specifikation för drivenheten identifierar de ingående komponenterna och mätgränsen. Den bör ange motortyp, växelriktarteknik, likspänning, utväxling, motor- och utgående vridmoment, topp- och kontinuerlig effekt, maximalt motorvarvtal, kylmetod, smörjstrategi, total massa samt om verkningsgraden omfattar växelriktare och växellåda.

Utan denna gräns kan siffror för effekttäthet och verkningsgrad från olika leverantörer inte jämföras rättvist.

Fortsätt genom motorserien

Gå tillbaka till Electric Motors and Drive Units eller läs de relaterade kapitlen om traction inverter, motor cooling och reduction gears and transmissions.