Hvis du er interessert i å utføre et dypdykk i forbrenningsmotorteknologi, må du være forberedt på å bli bombardert med mange ulike konsepter. Naturlig aspirerte motorer, turboladede motorer, direkte innsprøytning, indirekte innsprøytning, eller både direkte og indirekte injeksjon! Bensin, diesel, CNG, LPG, Atkinson syklus, Miller syklus, Budack syklus, Diesel og Otto syklus (se Mazda Skyactiv-X motor), fast geometri turbo, variabel geometri turbo, twin-scroll turbo, variabel kamaksel timing ... listen fortsetter.
Spørsmålet som nesten automatisk oppstår er, hvorfor har vi så mange forbrenningsmotordesign og konsepter? Svaret er enkelt – fordi ingen av dem er gode nok fra et effektivitetssynspunkt. I jakten på å forbedre effektiviteten har mange design blitt introdusert gjennom bilhistorien av ingeniører. Er denne variasjonen av design relevant for de elektriske motorene også? Hvor mange typer motorer har vi i e-mobilitet? Svaret er bare 3 hovedoppgaver. La oss bli kjent med dem.
Asynkron induksjonsmotor - Kort historietime
Den asynkrone induksjonsmotoren er ikke noe nytt. Den er oppfunnet av to uavhengige forskere - den eneste Nikola Tesla og Galileo Ferraris. Selv om den italienske oppfinneren tilsynelatende først utviklet denne motoren i 1885, var Nikola Tesla den første til å innlevere patentet i 1888.
Oppfinnelsen av induksjonsmotoren er uten tvil en av de største prestasjonene når det gjelder å utnytte elektrisitet til å drive livene våre. Adopsjonen av denne motortypen er så utbredt i disse dager, at det er svært vanskelig å forestille seg hverdagen uten den. Mange elektriske enheter bruker disse motorene, og de aller fleste industrimotorer er av asynkron induksjonstype.
Hvordan fungerer en asynkron induksjonsmotor?
Alle elektriske motorer har to hoveddeler. En statisk del kalles en stator og en roterende del kalles rotoren. La oss begynne med statoren - vanligvis en stålsylinder med spor og kobberspoler som er vevd med en bestemt geometri. Disse spolene mates med 3-faset vekselstrøm som er konvertert fra DC (levert av batteriet) i kraftelektronikken. Denne strømmen skaper et roterende magnetfelt i statoren og hastigheten til det roterende magnetfeltet kalles synkron hastighet.
I hovedsak, her er hvordan denne typen motor fungerer: AC-spenning settes til kobberspolene (eller viklingene) og som et resultat får vi et roterende magnetfelt, det feltet induserer spenning i rotoren som igjen får strøm til å flyte. Denne strømmen produserer sitt eget roterende magnetiske felt i rotoren som ligger bak statorens magnetiske felt. Kraften mellom de to magnetfeltene som ender opp med å bevege rotoren kalles Lorentz-kraften. Rotorens bevegelse overføres deretter til hjulene på vognen gjennom riktig reduksjon.
Denne motoren kalles asynkron fordi det roterende magnetfeltet til rotoren og statoren ikke er synkronisert. Induksjonsdelen kommer fra det roterende magnetfeltet, spenningen og strømmen som induseres av statoren. Når vi trykker på gasspedalen, henger rotorens magnetfelt litt etter statorens. Når vi bremser og motoren fungerer som en generator (regenerativ bremsing), så er det roterende magnetfeltet til rotoren foran statoren. Denne forskjellen i de roterende magnetfeltene kalles "slip" og er vanligvis opptil 5 % avhengig av motordesign.
Typisk effektivitet for en 3-fase asynkron induksjonsmotor som brukes i bilindustrien er rundt 90 %. På grunn av sin robusthet, enkelhet, lang levetid og ingen krav til eksotiske materialer, brukes denne motoren nesten utelukkende i industrielle prosesser. Dessuten gjør dens gode overbelastningsegenskaper den til en perfekt on-demand-motor, og det er derfor den ofte brukes som frontmotor i AWD-elbiler.
Noen av bilene som bruker de asynkrone induksjonsmotorene er: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, XandYon foraksler og VW Group MEB-biler bruker dem også på forakslene.
Synkron permanent magnetmotor
Den grunnleggende forskjellen mellom asynkrone induksjonsmotorer og synkrone permanentmagnetmotorer er måten de roterende magnetfeltene i rotoren og statoren produseres og samhandler på. I synkrone permanentmagnetmotorer er det et naturlig roterende magnetfelt, skapt av permanente magneter (derav navnet på motoren) i rotoren. De roterende magnetiske feltene til rotoren og statoren i disse motorene er låst og det er ingen gli.
De permanente magnetene i rotoren er et av nøkkelelementene som øker effekttettheten og forbedrer motorens effektivitet. Den økte effekttettheten betyr høy effekt i lavt volum, og derfor brukes permanentmagnetmotorer utelukkende i PHEV-er. Den elektriske motoren i disse kjøretøyene er plassert i girkassen og det er plassbegrensninger.
Permanente magneter er laget av sjeldne jordartsmaterialer, og Kina kontrollerer de fleste av dem. Det er spørsmål om de etiske aspektene ved gruveprosessen, og av den grunn prøver mange produsenter å redusere bruken av disse materialene i motorene sine. Likevel er den synkrone permanentmagnetmotoren kongen av effektivitet - den kan nå opp til 94-95% og når det bare er en motor i bilen, så er dette typen motor som brukes.
Permanentmagnetmotorer brukes i Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, XandYpå bakakslene. VW Group MEB-biler bruker dem også på bakakslene, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT og Porsche Taycan bare for å nevne noen.
Synkronmotor som er elektrisk begeistret
Permanent-magnet synkronmotorer leverer den høyeste effektiviteten, men deres avhengighet av sjeldne jordarters elementer vekker bekymring. For å løse dette har produsenter som BMW, RenaultGroupe og Smart vendt seg til en hybridmotorarkitektur – synkronmotorer som ikke er avhengige av sjeldne jordmagneter.
Hvordan fungerer disse maskinene? I stedet for å bruke permanente magneter i rotoren for å generere fluks, bruker de børster og sleperinger. Ifølge BMW gir denne typen motor en effektivitet på opptil 93 %, som er svært nær effektiviteten til permanentmagnetmotorer. Selv om konseptet ser lovende ut, betyr inkluderingen av børster at de til slutt trenger utskifting. Forhåpentligvis vil produsentene som utvikler denne motortypen velge børster med tilstrekkelig lang levetid.
Denne motordesignen brukes i BMW iX3, iX og i4; Renault MeganeE-TECH; og Smart EQ.
