Csúcsdöntésekkel versenyeznek az autógyártók, a sebességi rekordok mellett az egy töltéssel megtehető út növelése is a tét, de van amihez nem elég az akkumulátorok hatékonyságának javítása.
Az ok egyszerű: tavaly a nagy sebességű elektromos járművek (EV) motorjai közül többnek a fordulatszáma meghaladta a percenkénti 30 ezret! És persze amikor a villanymotorok gyorsabban pörögnek, többet is fogyasztanak és jobban is kopnak.
Egy másik területen már léptek a kínai hatóságok: január elsejétől szigorú előírásokkal szabályozzák az elektromos autókat fogyasztását a jármű tömege alapján és kategóriánként maximalizálják. Egy kompakt 2 tonnás elektromos SUV esetében a javasolt határérték 15,1 kWh/100km. Az index alapjául a CLTC fogyasztás számít, ami némileg engedékenyebb az európai WLTP, és az észak-amerikai EPA normánál. A tervezett táblázat értékei tizenegy százalékkal szigorúbbak a korábbi ajánlásoknál, hogy a gyártók hatékonyabb és ne nagyobb méretű, tömegű akkupakkokkal növeljék a hatótávot. A BYD és a Geely több modellje már teljesíti az új CTLTC táblázat szerinti határértékeket.
Ennek a programnak a része a villanymotorok fordulatszám szabályozása. Ráadásul a környezetvédelmi károk mellett közlekedésbiztonsági kockázatai is vannak az intenzíven gyorsuló és nagy sebességű autóknak, hiszen a több száz wattos teljesítményűek vezetésére nem mindenki alkalmas, miközben a nagyobb sebességtartományokban és intenzív gyorsításoknál az energiafelhasználás is megnő. Mindezek figyelembevételével több ország hatóságainál felmerültek a műszaki korlátozások jogi keretei.
Utóbbi persze a benzinesek esetében is igaz, nem véletlenül korlátozzák műszakilag a szériaautók tempóját 250 km/órára, ami persze csak hallgatólagos megállapodás az európai gyártók esetében.
Egy belső égésű motorral (ICE) hajtott járműben a magasabb maximális fordulatszám nagyobb teljesítménnyel jár, amely lehetővé teszi a vezetőknek, hogy hosszabb ideig pörgessék azt sebességváltás előtt. Mivel a teljesítmény a fordulatszám és a nyomaték függvénye, a magasabb fordulatszámú motor nagyobb teljesítményt biztosíthat ezeken a magasabb fordulatszámokon.
Az elektromos járművek piacán a fordulatszám-tartomány szinte azonnal megnő. Míg egy átlagos benzinüzemű autó körülbelül 5000-6000 fordulat/perc körül éri el a maximális fordulatszámot, az átlagos elektromos motorok fordulatszáma 10-15 ezres fordulat/perc között van, és ez a tartomány egyetlen fokozattal lefedi a jármű teljes sebességtartományát, több fokozat használata nélkül.
Ugyanannyi teljesítmény mellett az elektromos motorok sokkal kompaktabbak, mint egy tipikus belső égésű motor, de ez nem akadályozta meg az elektromos járműgyártókat abban, hogy kisebb és nagyobb teljesítményű motorokat készítsenek, mert ezzel helyet szabadítsanak fel az autóban és csökkentik a költségeket. Ennek egyik módja a motor végsebességének növelése.
A Tesla és a Lucid 2021-ben piacra dobta a Model S Plaid-et és az Air-t, amelyek mindegyikének motorja maximális fordulatszáma körülbelül 20 ezres, 2025-ben több olyan szereplő bejelentett még nagyobb sebességű elektromos motorokat, mint a BYD, a Xiaomi és a GAC, amelyek meghaladják a 30 ezres percenkénti fordulatot.
A magasabb fordulatszámra való törekvést kompaktabb, nagyobb teljesítményű motorok fejlesztése tettet lehetővé. Ha egy motor végső teljesítménye ugyanaz, de a motor kisebb, ez azt jelenti, hogy az anyagköltség csökken, és a kisebb motor (tömegcsökkenés) több helyet biztosít a járműben az utasoknak, csomagoknak vagy más hajtáslánc-alkatrészeknek, például hibrid rendszernek.
Az IDTechEx adatbázisa szerint a radiális fluxusú PM gépek esetében a maximális fordulatszáma percenként 10 ezerről 20 ezerre növelése 69 százalékkal növelte a teljesítménysűrűséget, és a további 30 ezerre történő növelés újabb 41 százalékos növekedést eredményezett.
Így általánosságban elmondható, hogy a maximális fordulatszám növelés a motor teljesítménysűrűségét is növeli.
A motorok nagyobb fordulatszámra való emelése azonban nem mentes a kompromisszumoktól:
A magasabb fordulatszám nagyobb áramfogyasztással jár.
Váltóáramú veszteségek: a motorokat jellemzően az állórész tekercseiben folyó 3 fázisú áram hajtja. Gyorsabb motor esetén a szinuszos áram frekvenciája nő, de a parazita veszteségek is nőnek az állórész tekercsekben (réz váltakozó áramú veszteségek) és a lemezekben (vas váltakozó áramú veszteségek).
Rotor szerkezete: nagyobb sebességeknél a rotorra ható centrifugális erő megnő, és a rotor szerkezete kihívást jelent.
Hűtés: a hőkezelés kihívást jelenthet, ha minden kompaktabb.
Áttételek: ahogy a motor gyorsabban forog, nagyobb áttételre van szükség a sebességváltótól a kerekeknél szükséges sebesség eléréséhez. Több csökkentő fokozat is alkalmazható, de mindegyik további költségeket és bonyolultságot eredményezne és többlet tömeget jelent.
A csapágyak nagyobb igénybevételnek, súrlódási hőnek vannak kitéve, és a rotorban lévő bármilyen kiegyensúlyozatlanság közvetlenül dinamikus erőkké alakul a csapágyakra.
Mik erre a lehetséges megoldások?
Váltóáramú veszteségek: a pólusok száma csökkenthető a szükséges frekvencia csökkentése érdekében. Vékonyabb laminálás, vagy amorf anyagok használhatók.
Rotor szerkezete: a kisebb rotorátmérővel nagyobb sebességek érhetők el, így a centrifugális erők csökkennek. Nagyobb erőfeszítéseket lehet tenni a rotor szerkezeti kialakításába és a mágnes geometriájába is. Egyesek a rotor szénbevonatolását is elkezdték a szerkezetének megőrzése érdekében.
Hűtés: a legtöbb szereplő ma már közvetlen olajhűtést alkalmaz, hogy a hűtőfolyadék a lehető legközelebb kerüljön a hőtermelő alkatrészekhez. Ez különösen fontos a nagyobb sebességű motorok esetében. Bár ez növelheti a bonyolultságot, lehetőség van a korábbi tervekben használt vízköpeny kiküszöbölésére.
Áttételek: a további reduktorfokozatok (a tipikus 2-n túl) hozzáadásának elkerülése érdekében az első fokozat fogaskerekének nagyon kicsinek kell lennie.
Csapágyak: nagyobb mérnöki hangsúlyt fektetnek a csapágyakra, a kerámia (vagy hibrid kerámia) csapágyak pedig egyre gyakoribb megoldássá válnak.
Tehát vannak megoldások a nagy sebességű motorok kihívásaira, de egyensúlyt kell találni a kisebb, nagyobb sebességű motorok potenciális teljesítménye és költségelőnyei, valamint a kihívásokra adott megoldások lehetséges többletköltségei és összetettsége között. Ezt szem előtt tartva valószínű, hogy az elektromos járműpiac jelentős része megtartja a mérsékeltebb sebességtartományú motorokat, de minden bizonnyal egyre nagyobb lesz a nagy sebességű motorok, elektromos hajtásegységek és eAxles elterjedése.
Az IDTechEx legújabb, az elektromos járművekben használt elektromos motorokról (2026-2036) szóló jelentése elemzi az elektromos járművekben használt elektromos motorok jelenlegi technológiai és anyagkörnyezetét, és előrejelzi a következő 10 évre vonatkozó jövőbeli trendeket és igényeket.
Az IDTechEx előrejelzése szerint 2036-ban több mint 140 millió elektromos motorra lesz szükség az elektromos járműpiacon, olyan szegmensekben, mint az autók, teherautók, buszok, kétkerekűek, háromkerekűek, mikroautók és könnyű haszongépjárművek.
Cégháttér
Az IDTechEx megbízható, független kutatásokat végez a feltörekvő technológiákról és azok piacairól. 1999 óta segítjük ügyfeleinket az új technológiák, azok ellátási láncainak, piaci követelményeinek, lehetőségeinek és előrejelzéseinek megértésében. További információk: www.IDTechEx.com
Fotók: BYD, CATL, Daimler, Ford, McMurtry, Toggat
További autós tartalmakért kövess minket Facebookon is!