Om du är intresserad av att göra en djupdykning inom förbränningsmotorteknik måste du vara beredd på att bombarderas med många olika koncept. Natursugningsmotorer, turboladdade motorer, direktinsprutning, indirekt insprutning, eller både direkt och indirekt insprutning! Bensin, diesel, CNG, LPG, Atkinson cykel, Miller cykel, Budack cykel, Diesel och Otto cykel (Se Mazda Skyactiv-X motor), fast geometri turbo, variabel geometri turbo, twin-scroll turbo, variabel kamaxel timing ... listan fortsätter.
Frågan som nästan automatiskt uppstår är varför vi har så många konstruktioner och koncept för förbränningsmotorer? Svaret är enkelt – eftersom ingen av dem är tillräckligt bra ur effektivitetssynpunkt. I strävan efter att förbättra effektiviteten har många konstruktioner introducerats genom fordonshistorien av ingenjörer. Är den här variationen av design relevant för elmotorerna också? Hur många typer av motorer har vi inom e-mobility? Svaret är bara tre huvudsakliga. Låt oss bekanta oss med dem.
Asynkron induktionsmotor - Kort historielektion
Den asynkrona induktionsmotorn är inte något nytt. Den har uppfunnits av två oberoende forskare - den enda Nikola Tesla och Galileo Ferraris. Även om den italienska uppfinnaren uppenbarligen först utvecklade denna motor 1885, var Nikola Tesla först med att lämna in patentet 1888.
Uppfinningen av induktionsmotorn är utan tvekan en av de största framgångarna när det gäller att utnyttja elektricitet för att driva våra liv. Antagandet av denna motortyp är så utbrett nuförtiden att det är mycket svårt att föreställa sig vardagen utan den. Många elektriska enheter använder dessa motorer och de allra flesta industrimotorer är av asynkron induktionstyp.
Hur fungerar en asynkron induktionsmotor?
Alla elmotorer har två huvuddelar. En statisk del kallas en stator och en roterande del kallas rotorn. Låt oss börja med statorn - vanligtvis en stålcylinder med slitsar och kopparspolar som är vävda med en specifik geometri. Dessa spolar matas med 3-fas växelström som har omvandlats från DC (som tillhandahålls av batteriet) i kraftelektroniken. Denna ström skapar ett roterande magnetfält i statorn och hastigheten för det roterande magnetfältet kallas synkron hastighet.
I huvudsak, så här fungerar den här typen av motor: AC-spänning sätts på kopparspolarna (eller lindningarna) och som ett resultat får vi ett roterande magnetfält, det fältet inducerar spänning i rotorn som i sin tur får ström att flyta. Det strömflödet producerar ett eget roterande magnetfält i rotorn som ligger efter statorns magnetfält. Kraften mellan de två magnetfälten som i slutändan flyttar rotorn kallas Lorentz-kraften. Rotorns rörelse överförs sedan till vagnens hjul genom korrekt reduktion.
Denna motor kallas asynkron eftersom rotorns och statorns roterande magnetfält inte är synkroniserade. Induktionsdelen kommer från det roterande magnetfältet, spänningen och strömmen som induceras av statorn. När vi trycker på gaspedalen släpar rotorns magnetfält en bit efter statorns. När vi bromsar in och motorn fungerar som en generator (regenerativ bromsning), då är rotorns roterande magnetfält före statorn. Denna skillnad i de roterande magnetfälten kallas "slip" och är i allmänhet upp till 5 % beroende på motorns design.
Typisk verkningsgrad för en 3-fas asynkron induktionsmotor som används inom bilindustrin är cirka 90 %. På grund av dess robusthet, enkelhet, livslängd och inga krav på exotiska material, används denna motor nästan uteslutande i industriella processer. Dessutom gör dess goda överbelastningsegenskaper den till en perfekt on-demand-motor och det är därför den ofta används som frontmotor i AWD-elbilar.
Några av bilarna som använder de asynkrona induktionsmotorerna är: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, XandYon framaxlar och VW Group MEB-bilar använder dem också på framaxlarna.
Synkron permanentmagnetmotor
Den grundläggande skillnaden mellan asynkrona induktionsmotorer och synkrona permanentmagnetmotorer är det sätt på vilket de roterande magnetfälten i rotorn och statorn alstras och samverkar. I synkrona permanentmagnetmotorer finns det ett naturligt roterande magnetfält, skapat av permanentmagneter (därav namnet på motorn) i rotorn. De roterande magnetfälten hos rotorn och statorn i dessa motorer är låsta och det finns ingen slirning.
De permanenta magneterna i rotorn är ett av nyckelelementen som ökar effekttätheten och förbättrar motorns effektivitet. Den ökade effekttätheten innebär hög effekt i låg volym, varför permanentmagnetmotorer uteslutande används i PHEVs. Elmotorn i dessa fordon är inrymd i växellådan och det finns utrymmesbegränsningar.
Permanenta magneter är gjorda av sällsynta jordartsmetaller med Kina som kontrollerar majoriteten av dem. Det finns frågor om de etiska aspekterna av gruvprocessen och av den anledningen försöker många tillverkare att minska användningen av dessa material i sina motorer. Ändå är den synkrona permanentmagnetmotorn kungen av effektivitet - den kan nå upp till 94-95% och när det bara finns en motor i bilen är det den här typen av motor som används.
Permanentmagnetmotorer används i Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, XandYpå bakaxlarna. VW Group MEB-bilar använder dem också på bakaxlarna, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT och Porsche Taycan bara för att nämna några.
Synkronmotor som är elektriskt exciterad
Permanentmagnetiska synkronmotorer ger högsta effektivitet, men deras beroende av sällsynta jordartsmetaller väcker oro. För att ta itu med detta har tillverkare som BMW, RenaultGroupe och Smart vänt sig till en hybridmotorarkitektur – synkronmotorer som inte är beroende av sällsynta jordartsmagneter.
Hur fungerar dessa maskiner? Istället för att använda permanentmagneter i rotorn för att generera flöde, använder de sig av borstar och släpringar. Enligt BMW ger denna typ av motor en verkningsgrad på upp till 93 %, vilket är mycket nära effektiviteten hos permanentmagnetmotorer. Även om konceptet ser lovande ut, betyder införandet av borstar att de så småningom kommer att behöva bytas ut. Förhoppningsvis kommer tillverkarna som utvecklar denna motortyp att välja borstar med tillräckligt lång livslängd.
Denna motordesign används i BMW iX3, iX och i4; Renault MeganeE-TECH; och Smart EQ.
