2024. augusztus 8. – 10:04
Ezt a cikket a Telex és az autóMAGAZIN együttműködésének keretében olvashatják.
Régen mintha minden kisebb és könnyebb lett volna. Például 0,07 kilowatt, azaz kevesebb mint egytized lóerő is elég volt a világ első közúti elektromos járműve, a Trouvé Tricycle nevű háromkerekű mozgatásához, amely 1881-ben 12 km/óra végsebességgel rótta Párizs utcáit. Ma a teljesítményskála másik végén látunk elképesztő számokat, hiszen egyes hipersportautók már bőven átlépték az 1000 kilowattos, vagyis 1360 lóerős álomhatárt, és egy részük szintén elektromos hajtású.
A teljesítmény azonban a villanyautók esetében sem minden, a hatékonyság legalább ennyire fontos. Ebben a versenyszámban 80 és 95 százalék közötti hatásfokukkal az elektromos hajtású típusok a legjobbak, ráadásul teljesítmény- és nyomatéksűrűségük nagy, szabályozásuk is gyors és hajszálpontos.
Bár sokan úgy hiszik, hogy a villanyautók motorja egyforma, ez korántsem igaz, hiszen a mai típusok túlnyomó részében három alapkonstrukció egyikét találjuk.
Ezek az aszinkronmotorok (ASM), az állandó mágneses szinkronmotorok (PSM) és a kívülről gerjesztett forgórészű (ESM) elektromotorok. Azonban ezek mellett már felbukkantak olyan, komoly előnyökkel kecsegtető megoldások, mint a reluktanciamotorok, valamint az axiál és átlós fluxusú elektromotorok. Ezek a kifejezések manapság még idegenül hangozhatnak, mégis érdemes megismerni a jelentésüket, mert a következő évtizedekben ugyanolyan gyakran találkozunk majd velük, mint most a belső égésű motorok sokat emlegetett paramétereivel.
Melyik a legjobb villanyautó-motor? Attól függ, mi a cél
A ma kapható tömegmodellekbe az elektromos hajtású Opel Corsától a Tesla összkerékhajtású csúcsverziójáig eltérő szempontok miatt választják a háromféle motor egyikét a gyártók. A magyarázathoz érdemes megismerni a motorok működése közti különbségeket. Az aszinkronmotorok forgórésze más sebességgel forog, mint az állórész mágneses mezeje. Ha az előbbi a lassabb, akkor motorként működnek, ha gyorsabb, akkor pedig generátorként visszatáplálnak. Tíz évvel ezelőtt a Tesla Model S-nél erre a konstrukcióra esett a fejlesztők választása, majd egyre nyilvánvalóbbá váltak az aszinkron motorok hátrányai.
Ezekben ugyanis a rotor és a mágneses tér fordulatszáma közötti, egy számjegyű százalékos tartományba eső eltérés csökkenti a hatásfokot, különösen részterhelésnél. További probléma, hogy hűtésük nehezen megoldható, ezért egy ASM gyakran csak a névleges csúcsteljesítménye 25 százalékát képes folyamatosan leadni, ráadásul közel harmadával nagyobb és nehezebb, mint egy állandó mágneses szinkronmotor (PSM).
Az aszinkronmotorok rendkívül masszívak és viszonylag olcsón gyárthatók, mivel forgórészükhöz nem szükségesek ritkaföldfémekből készült mágnesek. Az is kedvező adottságuk, hogy minimális ellenállási veszteséget okoznak, amikor az autó gurul, továbbá hogy rövid ideig, például előzéskor némi túlterhelést is elviselnek. E tulajdonságaik teszik különösen alkalmassá őket kétmotoros hajtásokhoz. Nem véletlen, hogy a Tesla- és a Volkswagen-csoport összkerékhajtású villanyautóiban az első kerekek hajtására ilyen motorokat alkalmaznak, és csak szükség esetén, általában rövid időre kapcsolják be őket.
Az állandó mágneses szinkronmotorok (PSM) forgórésze az állórész keltette forgó mágneses mezőével mindig azonos fordulatszámmal, azaz vele szinkronban forog. A PSM-ekre jellemző a gyorsan felépülő nagy nyomaték is, valamint a nagy nyomaték- és teljesítménysűrűség, vagyis a súlyegységre eső nyomaték, illetve teljesítmény. További előnyük a jó hatásfok és a mérsékeltebb hűtésigény. Ez a konstrukció ugyanakkor meglehetősen drága, mert a forgórész mágnesei átlagban két kilogramm ritkaföldfémet, főként neodímiumot, illetve a hőállóság javítására diszpróziumot is tartalmaznak. Ezen alapanyagok piacának 95 százalékát Kína felügyeli, ráadásul a megmunkálásuk és újrahasznosításuk károsíthatja a környezetet.
További probléma adódik a PSM motor felépítéséből. Mivel a forgórésze állandó mágneseket tartalmaz, az ezek által keltett mágneses tér nem befolyásolható, ez pedig a kétmotoros, összkerékhajtású modelleknél guruláskor nagyobb ellenállási veszteséget okoz, mint egy ASM. Ezt azzal lehet elkerülni, ha mechanikus tengelykapcsolóval leválasztják őket a hajtásról, ahogy teszi azt a Hyundai, a Kia vagy a Peugeot is egyes modelljeinél.
Létezik mindentudó megoldás ebben a műfajban? Egyesek a külső gerjesztésű szinkronmotorokat tekintik annak, hiszen nagy a teljesítménysűrűségük és a forgatónyomatékuk, illetve főként nyugodt vezetési stílus esetén a hatásfokuk is kiváló. A bennük lévő mágneses mező gyorsan és pontosan szabályozható, ráadásul guruláskor akár teljesen kikapcsolható, így nem jellemző rá a fent említett kedvezőtlen ellenállás. A Renault Zoe külső gerjesztésű villanymotorja ezen felül töltéskor, a teljesítményelektronikával együttműködve transzformátorként is képes működni, és így akár 43 kilowatt váltóáramú töltőteljesítmény is elérhető.
Az ESM motorok forgórésze ugyanúgy szinkronban forog az állórész mágneses mezejével, mint a PSM motor esetében. Viszont ebben nem állandó mágneseket találunk, hanem tekercselést, amelybe kívülről egyenáramot vezetve jön létre az elektromágneses hatás. Az áramot mechanikus érintkezőkön keresztül vezetik a forgórészbe, vagy érintkezés nélkül, amivel 95 százalék feletti hatásfok is elérhető.
A fizikai érintkezés a kefe és a gyűrű között kopáshoz vezet, így azokat a cseréhez hozzáférhetővé kell tenni, ami helyet igényel az autóba építéskor. Az érintkezés nélküli, induktív áramellátásnál erre nincs szükség. Az ilyen kialakításnál az állórész forgó mágneses mezeje indukálja a forgórész tekercsének szükséges áramot, amit azonban egyenirányítani kell, mert a forgórész tekercsének gerjesztéséhez egyenáramra van szükség. Az egyenirányítót a tengelybe építik be.
Jelenleg kevés autógyártó alkalmaz külső gerjesztésű villanymotorokat. A Renault eleve mellette tette le a garast, a BMW pedig 2021 óta szereli ESM motorokkal az autóit. A megoldás vitathatatlan előnyei miatt egyre több olyan jelentős gyártó érdeklődik a külső gerjesztésű motorok iránt, mint a ZF, a Vitesco vagy a Mahle, amelyek mindegyike komolyan kutatja és fejleszti a forgórész induktív áramellátásának lehetőségeit.
Erős és kompakt, de méregdrága
Minden ma ismert konstrukciónak megvannak tehát a maga sajátosságai, ezek azonban nem esnek olyan távol egymástól – magyarázza Nejila Parspour, a Stuttgarti Egyetem Elektromosenergia-átalakítási Tanszékének vezetője. Egy megfelelően kialakított, igényes anyagokból készült aszinkronmotor akár jobb is lehet, mint egy kevésbé átgondolt állandó mágneses szinkronmotor. Amikor egy fejlesztő a megfelelő megoldást keresi, akkor Parspour szerint először az igényeket veszi szemügyre, köztük azt, hová és hogyan kell majd beépíteni a motort. Ezután következik a motor fajtájának és felépítésének meghatározása, majd az anyagainak és a szabályozásának kialakítása.
Az utóbbi idők egyik legérdekesebb elektromotorjával az amerikai Lucid rukkolt elő. A nálunk kevésbé ismert gyártó Air Dream Edition Performance nevű csúcsmodelljében lévő motor rendszerteljesítménye 828 kilowatt, vagyis 1126 lóerő, legnagyobb nyomatéka pedig 1390 newtonméter, igaz, az autó közel 35 millió forintnak megfelelő összegbe kerül. Döbbenetes számok, de még inkább meghökkenünk, ha kiderül, hogy az állandó mágneses motort, az invertert és az áttételt is tartalmazó hajtóegység tömege mindössze 74 kiló.
Hogyan lehet ilyen kiemelkedő teljesítménysűrűséget, vagyis teljesítmény–súly arányt elérni? A szakértő szerint következetes tervezésre, csúcsminőségű alapanyagokra és a lehető leghatásosabb hűtésre van szükség a hasonlóan jó eredmény eléréséhez. A Lucid újfajta módszert alkalmazott az állórész tekercselésénél, ami lehetővé tette, hogy a tekercsvégek kicsik és könnyűek lehessenek, a hűtőolajat pedig a közvetlen közelükben lehessen elvezetni.
Az ehhez hasonló csúcstechnika viszont csak ott juthat szóhoz, ahol nem számítanak a költségek, és ahol eltekintenek a ritkaföldfémet tartalmazó állandó mágnesek alkalmazásának hátrányaitól. Az európai autógyártók azonban gazdaságossági és környezetvédelmi megfontolások alapján is kerülnék ezt a megoldást.
Az állandó mágneses szinkronmotorok ígéretes alternatívája lehet a kívülről indukciósan gerjesztett szinkronmotor (iESM), amelyben az állandó mágnesek nélkül hozzák létre a motor működéséhez szükséges mágneses teret. Az egyéb megoldások, bár figyelemre méltók, még nem igazán használhatók. Az állandó mágneseket nem tartalmazó reluktanciamotorok alkalmazása gyengébb hatásfokuk miatt személyautóban nem, inkább kisteherautókban jöhet szóba Parspour szerint.
A jövő AMG Mercedeseinek motorja
Az axiál fluxusú motorokban a mágneses erővonalak a forgástengellyel
párhuzamosan haladnak. Az alacsony anyagszükségletnek köszönhetően a
motor kicsi és könnyű, és különösen kis terhelésnél magas a
hatásfoka. Az axiál fluxusú motorok nagyon jól hűthetők és nagy a
teljesítmény- és nyomatéksűrűségük. Forgó- és állórészük keskeny tárcsa
alakú, amelyből minél többet rendeznek egymás mellé, annál nagyobb
lehet a teljesítmény.
Mind a Renault-/Whylot-, mind a Mercedes-/Yasa-motorok forgórésze állandó mágneseket tartalmaz. A franciák esetében a forgórész kompozit anyagból készül, és két állórész fogja közre. Ennek a megoldásnak a legnagyobb hátránya a bonyolult gyártási folyamat, amelyben különösen a forgórészek előállítása növeli a költségeket. A Mercedes-Benz ezt a nagyobb sorozatú gyártással kívánja csökkenteni. A nagy hagyományokkal bíró marienfeldei motorgyárból származó axiál fluxusú motorok a jövőben az elektromos AMG-modelleket hajtják majd.
A tárcsa alakú motorok, akár axiális, vagyis tengelyirányú, akár radiális, tehát sugárirányú, akár átlós fluxusúak, elvileg kiválók arra, hogy egyenesen az autó vagy más jármű kerekébe építsék be őket. Csakhogy kis méretük és tömegük ellenére ezek is növelik a rugózatlan tömeget, ami személyautók esetében nem kimondottan szerencsés, mert rontja a komfortérzetet.
Ígéretes fejlesztés, amibe a BMW is befektetett
Az átmérője 48 centi. 48 centiméter az átmérője annak a két forgórésszel ellátott, radiális fluxusú kerékagymotornak, amelyet a müncheni székhelyű DeepDrive startup fejlesztett ki. Az axiál fluxusú motoroktól eltérően ez a konstrukció három gyűrűből áll, a középső az állórész, a két szélső pedig egy-egy forgórész, az erővonalak pedig a forgástengelyre merőlegesen, sugárirányban, azaz radiálisan futnak.
Eltérő elve és felépítése ellenére előnyei, tehát a kis súly, a jó hatásfok és a nagy teljesítmény-sűrűség hasonlóak az axiál fluxusú motorokéhoz. A forgórész nagy átmérőjének köszönhetően a gép csúcsnyomatéka 1250 newtonméter, ami azt jelenti, hogy nincs szükség áttételre az autó hajtásához. Mivel a hűtés is problémamentes, a forgórészekben lévő állandó mágneseket sem szükséges drága ritkaföldfémekből, például diszpróziumból vagy terbiumból készíteni.
A müncheniek új villanymotorja két változatban kapható. Az egyik egy kerékagymotor, beépített hidraulikus fékkel és teljesítményelektronikával. A második változat viszont egy hagyományos központi motor lassítóáttétellel és féltengelyekkel. A dupla forgórészű radiál fluxusú motor elve annyira lenyűgözte a BMW-t és a Continentalt, hogy mindkét cég befektetett a DeepDrive-ba.
Fejlődőképes csodamotor, ami a legerősebb Teslát is hajtja
Az úgynevezett kapcsolt reluktanciamotorokban elnevezését a mágneses ellenállás szakszerű megnevezése után kapta. Az ilyen konstrukciók állórészének tekercseléseit gyors egymásutánban be- és kikapcsolják, így hozzák létre azt a forgó mágneses mezőt, ami magával ragadja a csupán fogazott forgórészt. Bár ez a megoldás olcsó, a reluktanciamotorok masszívak és alig igényelnek hűtést, autóban mégsem alkalmazzák őket, mert nem elég erősek, ráadásul elég hangosak.
Az elv továbbfejlesztése a szinkron reluktanciamotor, amelynek forgórésze különböző mágneses ellenállású pályákat és úgynevezett fluxusgátakat foglal magába. Ennek még további változatánál a forgórészbe, a PSM motorokhoz hasonlóan, állandó mágneseket építenek be (PRSM motorok). Ezek kis fordulatszámon a mágneseket, közepes és nagy fordulatszámokon a mágneses ellenállás elvét kihasználva működnek.
A BMW korábban ilyet épített az i3-ba, a Tesla pedig több típusánál alkalmazza jelenleg is ezt a megoldást. A Tesla Model S és Model X hárommotoros Plaid változatainak hátsó kerekeit PRSM motorok hajtják. A Magic Rotor néven futó villanymotorok forgórészét karbonhüvely veszi körül, hogy gond nélkül elviseljék az akár 20 000/perces fordulatszámot.
Az alapanyagnál dől el minden
És mi a helyzet az alapanyagokkal? A jelenlegi állás szerint a PSM, ASM és ESM motorok álló- és forgórészét is hagyományos lágyvaslemezekből készítik. Ezek alapanyaga a vas, körülbelül 3 százalék szilícium és bizonyos esetekben némi alumínium ötvözete.
A lemezek vastagsága 0,20 és 0,35 milliméter közötti, de tervezőik arra törekednek, hogy tovább vékonyítsák. Az üzemekbe hatalmas tekercsként érkezik az anyag, ebből vágják ki a lemezeket stancolással, vagyis préseléses technikával, majd kötegelik és csomagolják. Kis sorozatoknál lézeres vágást is használnak. A Formula E versenyautók motorjainak lemezei speciális, kobalttal ötvözött vasból készülnek, a vastagságuk alig 0,05 mm.
A lemezek préseléses kivágása gyors és olcsó módszer, de csak síklemezek megmunkálására alkalmas, így nem jöhet szóba az axiál és átlós fluxusú motorok gyártásánál. Azokhoz ennél jóval bonyolultabb eljárások szükségesek, mondja Dagmar Goll, az Aaleni Főiskola Anyagkutató Tanszékének vezetője. Egészen kifinomult porkohászati eljárásokat és fém 3D nyomtatást is bevetnek erre a célra. Továbbá léteznek olyan gyengén mágnesezhető anyagok, amelyek szigetelőréteggel körülvett vasporból állnak. Ebből összetett formák is préselhetők, majd hőkezeléssel tartósíthatók. Ezeknek az úgynevezett Soft Magnetic Composites (SMC) anyagoknak azonban egyelőre hátrányuk, hogy nem túl szilárdak, de napjainkban is rendületlenül fejlesztik őket.
