Read the same article in English language here: https://www.vt-tek.fi/articles/modern-car-engines

 

Johdanto

Autoteollisuus sähköistyy ja vauhdilla. Useimmat perinteisistä merkeistä ovat tehneet autoistaan jo sähköisiä versioita, ja moni on suunnitellut autonsa sähköistä voimalinjaa varten kokonaan uudelleen. Sähköinen aika on tuonut markkinoille myös uusia autovalmistajia. Kehitys on nopeaa ja erilaisia teknologioita on sovellettu. Tässä kirjoituksessa tarkastellaan millaista moottoriteknologiaa käytetään akkukäyttöisissä täyssähköautoissa, joita juuri nyt on markkinoilla.

 

Eroja perinteisten ja sähköautojen välillä

Aloitetaan perusteilla. Perinteisten polttomoottoriautojen ja akkukäyttöisten sähköautojen välillä on tiettyjä merkittäviä eroja.

Perinteisissä autoissa on vain yksi moottori, yleensä sijoitettuna eteen ja kytkettynä vaihteistoon, jossa voi olla jopa 9 vaihdetta. Teho tuodaan etupyörille, takapyörille tai kaikille neljälle pyörälle riippuen automallista, mutta kaikissa näistä moottori on asennettuna suunnilleen samalla tavalla. Moottoridesignin on otettava huomioon paljon erilaisia toiminnallisuuksia kuten käytettävä polttoaine tai ajoneuvon vaatima teho. Hybridiautossa on toissijainen sähkömoottori, mutta varsinainen polttomoottori on niissäkin hyvin perinteinen.

Eri tarkoituksiin tehdyissä autoissa on ollut perinteisesti hyvin erilaiset moottorit. Esimerkiksi amerikkalaisessa lava-autossa on yleensä valtava V8, joka on hyvin janoinen ja äänekäs antaen vaikutelman, että autossa on valtavasti voimaa kova käyttöä varten. Sitä vastoin eurooppalaisessa autossa on pieni, usein turboahdettu 4-sylinterinen moottori, joka tarjoaa jonkinlaista suorituskykyä pienellä polttoaineenkulutuksella luoden vaikutelman autosta, jota voidaan käyttää päivittäiseen elämään ja jolla on silti mukava ajella kapeita ja mäkisiä teitä pitkin. Nämä kaksi mainittua moottoria ovat hyvin erilaisia. Mutta sähköautojen ajassa molemmat edellä mainituista autoista voidaan varustaa periaatteessa samanlaisilla moottoreilla. Lava-autossa moottorista on käytössä vain vähän suurempi versio, tai sitten siihen asennetaan useampi moottoriyksikkö. Esimerkiksi, kun katsotaan suorituskykyarvoja, tehokkaan Rivian R1T lava-auton takamoottori on lähes identtinen perheautojen kuten Hyundai Ioniq 5 tai Volkswagen ID.4 takamoottorien kanssa.

Sähköautoissa moottori kytketään suoraan akselille yksi- tai kaksi-portaisen vaihteiston kautta. Yleensä moottori sijoitetaan mielellään taka-akselille, jolloin sähköauton perusversio on takavetoinen. Tehokkaammassa versiossa on moottorit molemmilla akseleilla, ja auto on periaatteessa nelivetoinen. Tätä logiikkaa hyödyntävät mm. Tesla Model 3, BMW i4 ja Ford Mustang Mach-e. Poikkeuksiakin kuitenkin on. Renault Megane E-Tech:ssä ja Volvo C40 Recharge:ssa perusmallin moottori on sijoitettu etuakselille, jolloin auto on etuvetoinen.

Luultavasti merkittävin etu sähköisessä aikakaudessa on, että sähköautoissa on perinteisiin autoihin nähden enemmän vääntömomenttia. Sähkömoottori tarjoaa korkean vääntömomentin viiveettä, jopa pienillä kierrosnopeuksilla. Lisäksi sähkömoottoria voidaan kiihdyttää tasaisesti ilman vaihteiden vaihtoja. Seurauksena on polttomoottoriin nähden ylivoimainen kiihtyvyys. Koska moottoreiden ominaisuudet ovat niin erilaisia, ei polttomoottoriautojen ja sähköautojen suorituskykyarvoja ole helppoa verrata toisiinsa. Nykyajan täyssähköinen perheauto (esim. Tesla Model 3, BMW i4 tai Polestar 2) vastaa kiihtyvyydeltään polttomoottoriaikakauden urheiluautoa. Tosin, kaarreominaisuuksissa erot sitten tulevat esiin.

 

Tärkeimmät moottorivaatimukset

Auto on periaatteessa tyypillinen vetomoottorisovellus vähän niin kuin juna: Tarvitaan iso vääntömomentti pienellä nopeudella, jotta ajoneuvo saadaan liikkeelle ja vähän vääntömomenttia suurella nopeudella, jolloin tarvitsee päihittää vain ilmanvastus sekä pyörivien osien vierintävastus. Mutta autonmoottori tarvitsee huomattavan vääntömomentin myös jarrutuksessa, jotta energiaa saadaan otettua talteen. Lisäksi kuljettajan ajotapa sekä liikennetilanne tekevät kiihdytys-/jarrutussykleistä hyvin epämääräisiä, jos verrataan tietyllä rataosuudella operoivaan junaan. Moottorilta vaaditaan korkeaa hyötysuhdetta koko pyörimisnopeusalueella. Tämä vaatimus liittyy ajoneuvon toimintamatkaan, ei operointikustannuksiin kuten sähkökoneilla yleensä.

Moottorin nopeusalue on hyvin laaja. Autonnopeus on suunnilleen välillä 0 – 200 km/h. Tämä vastaa osapuilleen sähkökoneen pyörimisnopeusaluetta 0 – 15’000 rpm. Kentänheikennyspiste (tai nimellispiste) asetetaan noin 5’000 rpm:ään (esim. Tesla Model 3:n takamoottorin 5’075 rpm). Tämän nopeuden jälkeen moottorin vääntömomentti laskee. Huippunopeudella moottori tuottaa noin kolmanneksen nimellisestä vääntömomentistaan. Näin ollen auto, jossa on useampia moottoreita, voi kytkeä yhden moottorin pois päältä suurissa nopeuksissa tai vakionopeudella ajeltaessa.

Lisäksi moottoreiden on oltava mahdollisimman kevyitä ja kooltaan pieniä. Tarvitaan korkea tehotiheys. Tässäkin tulee ero junanmoottorin välillä. Junassa kuollut paino ei yleensä haittaa, joskin fyysiselle koolle tulee rajoituksia, kun moottorit sijoitetaan veturin sijaan yksittäisten vaunujen teleihin. Jos sähköautossa on useita moottoreita, koon ja massan merkitys korostuu. Eräs asiakkaamme tiivisti autonvalmistajien vaatimukset näin: ”Ne haluaa megawatin ulos jostain nyrkinkokoisesta murkulasta.”

 

Konetyypit

Taulukossa 1 on listattu eri täyssähköautojen moottoreita. Taulukossa suositaan autojen nelivetoversioita, jotta teknologian rajat tulevat esiin. Tiedot on kerätty Wikipediasta [1], sivustolta www.evspecification.com [2] sekä autovalmistajien omilta nettisivuilta.

Taulukko 1: Eri autojen sähkömoottorit.

Eroja löytyy. Audi e-tron GT:ssä, Ford Mustang Mach-e GT:ssä ja Mercedes-Benz EQS 580:ssä on kaikissa suunnilleen sama vääntömomentti, vähän yli 800 Nm. Mutta niiden teholukemat ovat merkittävästi erilaisia: 637 hp, 480 hp, and 516 hp. Lisäksi myös autojen kiihtyvyydet 0 – 100 km/h ovat erilaisia, samassa järjestyksessä 3.3 s, 3.8 s, and 4.3 s. Lisäksi Tesla Model 3 Performancessa on enemmän tehoa, mutta vähemmän vääntömomenttia kuin Jaquar I-Pace:ssa. Ero ei ole suuri. Mutta kiihtyvyys 0 – 100 km/h on Tesla Model 3 Performance:lla 3.3 s ja Jaquar I-Pace:lla 4.8 s. Molemmat autot ovat nopeita, mutta näin suurta eroa kiihtyvyydessä ei olisi välttämättä osannut odottaa pelkkien suorituskykyarvojen perusteella.

Nämä esimerkit alleviivaavat kuinka eri tavoin moottoreita ohjataan. Moottorikartan asettelu ei ole suoraviivaista. Insinöörien on löydettävä tasapaino kiihtyvyyden, huippunopeuden ja toimintamatkan välillä. Esimerkiksi Tesla uhraa 50 km (n. 10%) Model 3:n toimintamatkasta Performance-version suorituskykypaketilla, joka tarjoaa maksimaalisen kiihtyvyyden. Mutta näiden lisäksi perinteisten autonvalmistajien pitää ajatella myös mallistonsa muita autoja. Esimerkiksi jos BMW virittäisi i4:n äärimmäisiin suorituskykyarvoihin samaan tapaan kuin Tesla tekee Model 3 Performance:n kanssa, autosta saattaisi hyvinkin tulla nopeampi kuin heidän kuuluisa ja paljon kalliimpi lippulaivamalli M5.

Taulukko 1 näyttää, että valmistajat suosivat kestomagneettitahtikoneita (PMSM). Tesla ja Audi vaikuttavat siirtyvän pois induktiokoneista kohti PMSM:ää. Renault ja BMW ovat ottaneet toisen näkökulman ja käyttävät sähköisesti magnetoituja tahtikoneita.

 

Kestomagneettitahtikone, PMSM

Kestomagneettitahtikoneella on yleensä korkein tehotiheys tai teho-paino-suhde. Se on yksinkertainen ja suoraviivainen valmistaa. Yleensä sen hyötysuhde on korkea, koska magnetointiin ei tarvita ylimääräistä järjestelmää. Mutta hyötysuhde alkaa laskemaan kun nopeus nousee nimellisen yläpuolelle. Ajoneuvokäytöllä on laaja kentänheikennysalue ja luonnostaan PMSM ei kykene kentänheikennykseen. Kestomagneettien kenttä on vakio eikä sitä voida säätää (ei siis myöskään heikentää). Korkeilla nopeuksilla moottorissa on valtavat rautahäviöt ja matala hyötysuhde, joskin näihin voidaan merkittävästi vaikuttaa invertterin ohjauksella. PMSM:ää ei voida matalalla tehontarpeella myöskään kokonaan deaktivoida, koska se on aina magnetoitu.

Toinen PMSM:n huono puoli liittyy magneettien hankintaan. Ajoneuvomoottoreiden magneetit ovat voimakkainta NdFeB-tyyppiä. Helposti hyödynnettävät neodyymi- ja dysprosiumvarannot ovat Kiinan peruskalliossa, joten Kiinan ulko- ja kauppapolitiikka voi vaikuttaa näiden metallien markkinahintaan. Lisäksi näiden magneettien yleisesti kasvanut tarve tekee hinnasta huonosti ennustettavan. Jos kaikki autot pitäisi olla sähköautoja, joiden moottorityyppinä on PMSM, maailmalta loppuisi yksinkertaisesti magneetit kesken.

Vuonna 2011 neodyymin ja dysprosiumin hinnat yllättäen pomppasivat aiheuttaen PMSM-valmistajien hankintaosastoilla melkoista päänsärkyä. Tämä tapahtui puhtaasti poliittisista syistä. Muistan erään projektin tuolta ajalta, kun meillä oli hyvin tiukat vaatimukset ja tarvitsimme korkean dysprosium-sisällön magneettilaadun. Saimme magneettitoimittajalta tarjouksen, joka oli naurettavan kallis ja voimassa saman päivän iltaan asti. Tällaiseen tilanteeseen ei yksikään autovalmistaja halua joutua.

 

Sähköisesti magnetoitu tahtikone, SM

Sähköisesti magnetoidussa tahtikoneessa ei ole magneetteja. Magneettikenttä muodostetaan roottorin DC-käämityksellä. Tätä konetyyppiä on käytetty voimalaitoksissa jo toista sataa vuotta. Voimalaitosgeneraattorin staattori kytketään suoraan verkkoon ja konetta ohjataan säätämällä roottorin magnetointivirtaa. Nyt sähkökoneissa staattoria ohjataan invertterillä kuten muissakin konetyypeissä (joskin eri ohjausmenetelmillä). Mutta sen lisäksi myös magnetointia on mahdollista säätää.

SM:n etuna on sen täysi säädettävyys. Magnetointia voidaan muuttaa kuorman mukaan. Kun tarvitaan suurta vääntömomenttia, magnetointivirtaa voidaan nimellisarvosta nostaa, ja pienellä tehontarpeella magnetointia voidaan puolestaan säätää alemmas, jolloin myös rautahäviöt pienenevät. Moottori voidaan myös deaktivoida, jos sitä ei tarvita. Nimellispisteessä PMSM antaa paremman hyötysuhteen, mutta jos toimitaan jossain muussa pisteessä, ts. ajetaan autolla muuten kuin kaasu pohjassa, saattaa SM toimia paremmalla hyötysuhteella.

Mutta heikkouksena on liukurenkaiden ja hiiliharjojen muodostama kokonaisuus, jolla virta syötetään roottoriin. Isoissa tahtikoneissa on yleensä akselin päässä erillinen magnetointikone, joka siirtää tehon roottoriin sähkömagneettisesti ilman hankaavia osia, sekä roottorilla diodisilta, joka tasasuuntaa tämän tehon. Ensin mainittu vaatii valtavasti tilaa koneen akselilla ja jälkimmäinen on surullisenkuuluisa siitä, että se hajoaa pieniin osiin ympäri konetta ja aiheuttaa suunnittelemattoman voimalaitosseisokin. Liukurengas ja hiiliharjat ovat kompakti ratkaisu, mutta niissä on kuluvia osia, joten ehkä tätä teknologiaa käyttävissä autoissa (esim. BMW i4) joudutaan huoltostrategia miettimään eri tavalla. Toisaalta hiiliharjat ovat hyväksyttyä teknologiaa latureissa ja ne voidaan asentaa akselin päähän, joten hiiliharjamoduuli pitäisi olla helposti vaihdettavissa.

 

Induktione, IM

Yleisissä teollisuuskäytöissä tämä on ylivoimaisesti yleisin konetyyppi. Se on halpa, robusti ja luotettava, ei sisällä eksoottisia materiaaleja, ja sen käytöstä on paljon kokemusta. Ei siis ole yllätys, että autoteollisuuskin aloitti sähköaikakautensa tällä koneella.

Kuitenkin sitä mukaa kun suorituskykyvaatimukset kasvavat, induktiokone alkaa houkutella entistä vähemmän. Ensinnäkin se on viittä vaille mahdoton laskea tai mallintaa tarkasti ilman käytännön kokeiden perusteella määritettyjä empiirisiä korjauskertoimia. Kone on luonteeltaan hyvin epälineaarinen. Toiseksi jos halutaan täyttää ajoneuvospeksit, roottorin häkki on tehtävä kuparista, eikä edullisesta alumiinivalusta. Kun huippunopeus kasvaa, häkkikäämin liitokset on tehtävä ja tarkastettava huolellisesti, jolloin laadunvarmistus alkaa jo maksamaan. Induktiokone on myös painavampi kuin yllämainitut konetyypit. Lopulta, kun tehotiheys kasvaa, induktiokone alkaa lämpenemään todella todella paljon, ja vaatii monimutkaisen jäähdytysjärjestelmän.

Tesla Model 3:ssa ja Volkswagen ID.4:ssä induktiokonetta käytetään toissijaisena moottorina etuakselilla, taka-akselin PMSM:n rinnalla. Kun tehontarve on matala, se voidaan kytkeä pois päältä.

 

Lisää yksityiskohtia

Moottoreiden detaljeja on kerätty taulukkoon 2. Tiedot on kerätty valmistajien markkinointiesityksistä sekä erilaisista purkamisanalyyseistä (lähinnä Sandy Munron videot), joissa tarkastellaan mitä rungon sisältä todella löytyy. Purkamisanalyysit eivät kuitenkaan paljasta koneiden mittoja. Tarkempi erittely käytetyistä lähteistä löytyy artikkelin lopusta.

 

Taulukko 2: Suunnitteludetaljeja eri sähköautojen moottoreissa.

Konsensus vaikuttaisi olevan 48 staattoriuraa, hiuspinnikäämitys ja 8-napainen uppomagneettiroottori, jossa magneetit ovat aseteltuina jonkinlaiseen V-muotoon. Yllättäen kaikki koneet ovat 3-vaiheisia radiaalivuokoneita. Listalla ei myöskään ole yhtään pintamagneettikonetta, jollaisia käytetään kilpa-autojen moottoreissa sekä esimerkiksi Rimac Nevera -superautossa.

Tesla käyttää erilaista magneettikonfiguraatiota, jossa magneetit on aseteltu V-muotoon, mutta niiden reunojen rautakannakset on poistettu, ja koko roottori päällystetty sen jälkeen hiilikuitupannalla, joka lopulta pitää magneetteja paikoillaan. Hyvä analyysi tästä koneesta löytyy lähteestä [14]. Minun silmiini tämä design vaikuttaa kummalliselta. Moni teollisuuden moottorivalmistaja ei koskaan suostuisi moiseen, koska se on luultavasti hyvin vaikea ja kallis valmistaa, ja koska magneettien demagnetoitumisriski kasvaa jos ne kääritään lämmöneristyspeitteeseen, jollainen hiilikuitupanta käytännössä on. Tesla on halunnut poistaa rautakannakset parantaakseen koneen induktanssisuhdetta ja lisätäkseen maksimivääntömomenttia. Mutta samaan olisi päästy myös tekemällä koneesta 6-vaiheinen tai 8-napainen tai vain vähän pidempi.

Vaikuttaa tosin, että Tesla on sittemmin korvannut heidän niin sanotun ”hiilikäärömoottorin” (“Carbon wrapped motor”). Model Y:n moottorissa näyttäisi olevan hiuspinnikäämitys sekä roottori ilman hiilikuitupantaa.

Pyörölankakäämitykset on mainittu vielä taulukossa 2, mutta ilmeisesti valmistajat ovat hylkäämässä tämän menetelmän. Pyörölankakäämitys (engl. random-wound winding) tehdään pyöreästä kuparilangasta käsityönä. Se on työläs valmistaa, mutta lopputulos on hyvin kompakti, ja käämityksen suunnitteluun on paljon vapausasteita. Toinen huono puoli on, että kääminpäät lämpenevät helposti, koska johtimet on paketoitu niin tiukasti toisiaan vasten. Hiuspinnikäämitys sen sijaan on täysin automatisoitu. Se tehdään muotokuparista, joka taivutellaan etukäteen U-muotoisiksi osiksi, jotka tavallaan muistuttavat hiuspinnejä. Kun hiuspinnit on asetettu uraan, niiden päät liitetään seuraavan hiuspinnin päihin. Kaikki liitokset tehdään samassa vyyhdenpäässä. Menetelmä vaatii tiettyjä kompromisseja käämityksen suunnitteluun ja koska muotokuparijohtimet on varsin paksuja, niihin syntyy suurilla taajuuksilla iso virranahto, ts. suurilla nopeuksilla enemmän häviöitä. Hiuspinnikäämityksen edut liittyvät muotokuparijohtimiin, joilla saadaan parempi kuparin täyttökerroin sekä parempi lämmönsiirto, koska geometria on ennalta määrätty, vyyhdenpään johtimia ei ole paketoitu yhteen ja eristerakenteessa voidaan käyttää korkealaatuisia materiaaleja, kuten PEEK:iä ja korkean lämmönjohtavuuden päällystyshartseja.

Lucid käyttää käämitystä, jota he kutsuvat “aalloksi”, ja he ovat onnistuneet tekemään sen muotokuparista kokonaan ilman liitoksia. Tässä käämityksessä on hiuspinniä pienemmät kuparijohtimet sekä lyhyemmät vyyhdenpäät. On syytä huomioida, että termi ”aaltokäämitys” tarkoittaa, että käämitys kiertää koko staattorin kehän, sen sijaan että tekisi lenkkejä napojen ympäri. Aaltokäämitys on yleisesti käytetty vanhoissa vesivoimageneraattoreissa ja sitä käytetään myös yllämainitussa hiuspinnikäämityksessä, mutta näissä molemmissa on paljon sisäisiä liitoksia aivan kuten muissakin käämityypeissä. Lucid:n ”aalto” ei sisällä liitoksia, joten se viittaa paitsi käämitykseen, niin myös siihen miten se on valmistettu.

 

Jäähdytysjärjestelmät

Sähköautojen moottoreissa tehotiheys on suuri, joten tarvitaan tehokasta jäähdytystä. Jäähdytysmenetelmät ja luultavasti myös niiden tehokkuus vaihtelevat eri valmistajien välillä. Teknisiä yksityiskohtia ei ole helppoa ymmärtää pelkkien havainnollistusten perusteella, mutta vallalla näyttäisi olevan kaksi pääasiallista jäähdytysmenetelmää. Porsche ja Volkswagen näyttäisivät käyttävän vesijäähdytystä koneen rungossa. Jäähdytysaineena on vesi-glykoli-seos, aivan kuten perinteisissäkin autoissa. Hyundai, Lucid, Rivian ja Tesla käyttävät öljyruiskutusjäähdytystä staattorin rungolle ja vyyhdenpäille. Jäähdytysöljy ruiskutetaan pienten suuttimien läpi suoraan kääminpäihin, kerätään sitten talteen ja kierrätetään suodattimen, pumpun ja lämmönvaihtimen kautta. Mutta yhtäläisyydet loppuvatkin sitten tähän. Käytännön toteutus ja luultavasti myös jäähdytyksen tehokkuus ovat näissä autoissa hyvin erilaisia.

Jälkimmäinen jäähdytysmenetelmä, jossa öljy ruiskutetaan vyyhdenpäihin on luultavasti tehokkaampi ja sallii suuremman käämityksen virrantiheyden ja edelleen tehotiheyden. Tässä auttaa se, että jäähdytysaine tuodaan suoraan kuparijohtimille. Rungon vesijäähdytys on kauempana lämmönlähteestä. On huomioitava, että jäähdytysvettä tai vesi-glykoli-seosta ei voida ruiskuttaa suoraan johtimien päälle, koska eristemateriaalit eivät kestä kuumaa vettä. Mutta mineraaliöljyn kanssa se ovat täysin yhteensopivia.

 

Aksiaalivuokoneita ei näy

On pieni yllätys, ettei yhdessäkään tässä listatussa autossa ole aksiaalivuokoneita. Ei edes Mercedeksessä, joka osti vastikään aksiaalivuokoneisiin erikoistuneen YASA:n. Mercedeksen tänä päivänä myymissä autoissa on vielä vanha voimalinja. Heidän on tarkoitus alkaa käyttämään aksiaalivuokoneita 2025, mutta ei silloinkaan kaikissa malleissa.

Aksiaali-, tai radiaali-aksiaalivuokoneita käytetään esim. Koeniggseggin tai Ferrarin hybridi-superautoissa. Rakenteessa on kaksi roottoria ja staattori niiden välissä. Kolmas roottori voidaan asentaa staattorin ulkopuolelle operoimaan radiaalisella vuolla. Tällainen moottori tuottaa todella korkean vääntömomentin pienestä koostaan huolimatta. Taajuus on paljon korkeampi kuin taulukossa 2 luetelluissa koneissa, vaikka nimellispiste on pienemmällä nopeudella. Korkea taajuus ei ole ongelma, koska staattoriraudan massa on paljon radiaalivuokoneiden vastaavaa pienempi. Mutta korkea taajuus alkaa lämmittämään magneetteja, ellei niitä segmentoida. Rakenteessa yhdistyvät suuri määrä kustomoituja magneetteja ja pulverimetallista (soft magnetic composite) tehdyt staattoriosat, joten rakenne on kallis.

Joka tapauksessa nykyisiä koneita ei niin vain korvata aksiaalivuokoneilla. Jos valmistaja haluaa käyttää niitä, se joutuu suunnittelemaan voimalinjan kokonaan uudelleen. Fyysiset reunaehdot muuttuvat. Invertteriä ei voida sijoittaa kiekkomallisen aksiaalivuokoneen päälle, kuten se on nykyään sylinterimäisen radiaalivuokoneen päällä monessa autossa, ml. Mercedeksessä. Lisäksi aksiaalivuokoneen isompi napaluku ja erilainen nopeus- ja taajuusprofiili luultavasti vaativat muutoksia myös mekaaniseen vaihteeseen.

 

Mitä minä olisin tehnyt

Jos minulle olisi annettu tehtäväksi suunnitella moottori näihin autoihin, olisin luultavasti myös aloittanut radiaalivuo-kestomagneettitahtikoneella. Tiedän miten sellainen suunnitellaan, se on aika helppoa suunnitella, ja se on kuitenkin hyvin tehokas kone. Olisin myös ensin unohtanut pintamagneettikoneet. Ne ovat nimellispisteessä varsin tehokkaita, mutta suuremmilla nopeuksilla alkaa hyötysuhde sitten laskemaan. Olisin aloittanut samaan tyyliin kuin Volkswagen, Ford ja Hyundai: 8-napaisella uppomagneettikoneella. Tämä tyyppi antaa mukavasti vääntöä hyvällä hyötysuhteella ja näissä kokoluokissa koneen geometria asettuu nätisti kohdalleen. Ongelmia voi tosin tulla korkeissa nopeuksissa, ja silloin alkaisin katsella tarkemmin staattorikäämityksen häviöitä.

Olisin laittanut magneetit suoraan V-muotoon ja käyttänyt kahta magneettia napaa kohti, kuten Tesla, mutta ilman hiilikuitupantaa. Volkswagenin roottorissa on kolmas magneetti V-muodon päällä. Fordilla, Hyundailla, Lucidilla ja Rivianilla on neljä magneettia per napa kaksinkertaisessa V-muodossa. Tämä on tosin enemmänkin suunnittelufilosofinen kysymys. Lisämagneetit voivat parantaa hyötysuhdetta, pienentää harmonisia (pienentää värähtelytasoja), tai yksinkertaisesti vain kasvattaa ilmavälin vuontiheyttä. Mutta lisämagneetit tuovat lisää hajavuota, ja on muitakin tapoja saavuttaa nuo edelliset kuin kylvää lisää magneetteja. Isompi magneettien määrä yleensä tarkoittaa kasvaneita kustannuksia, vaikka magneettien kokonaismassa ei muuttuisikaan.

Staattorin suhteen Lucidin aaltokäämitys ilman liitoksia näyttää kaikista houkuttelevimmalta. Hiuspinnikäämityksessä on mielestäni liian kömpelöt liitosmenetelmät, sillä juotokset vievät vyyhdenpäässä huomattavan aksiaalisen tilan. Jos tämä tila voitaisiin käyttää koneen pidentämiseen, saataisiin samasta rungosta enemmän tehoa ulos.

Silti, ottaen huomioon sähköautosovelluksen epämääräisen kuormitusprofiilin, sähköisesti magnetoidun tahtikoneen hyvän ohjattavuuden sekä alati kasvavan magneettien hankintariskin, minua kiehtoo BMW:n ja Renault:n käyttämä SM-ratkaisu. Vaikuttaa jotenkin siltä, että tällä moottorikonfiguraatiolla voidaan lopulta, kun kone ja sen säätö ovat täysin optimoituja, päästä korkeimpaan kokonaishyötysuhteeseen. Koneesta tulee hieman painavampi ja isompi kuin PMSM, mutta tämä on robusti ja tehokas kone, jossa on hyvin ennakoitava kustannusprofiili. Ainoa huono puoli liittyy käytettyihin hiiliharjoihin.

Pyrkisin lisäämään koneen tehoa tekemällä siitä 6-vaiheisen, joskin tämä vaatii myös 6-vaiheisen invertterin, ts. kaksi pienempää invertteriä kytkettynä rinnan vaihesiirron kanssa. Näin tehdään Mercedeksen Mercedes-AMG EQS 53 -urheiluautossa, tosin vain taka-akselilla. Etumoottori on tässäkin vielä 3-vaiheinen. 6-vaiheisten koneiden voi kuvitella lisääntyvän tulevaisuudessa, etenkin suuritehoisissa autoissa. Lähestymistapaa, jossa lisätään koneen vaihelukua, käytetään myös lentokoneiden moottoreissa, jotka edustavat kenties korkeinta tehotiheyttä tämän päivän sähkökoneista.

 

Loppusanat

Vaikuttaa, että kestomagneetitahtikoneet ovat suosikkeja tämän päivän sähköautoihin. Teslalla ja Volkswagenilla on vielä induktiokoneet toissijaisina moottoreinta, ja Audin vanhentunut voimalinja käyttää vielä induktiokoneita. Tämä voi kuitenkin tulevaisuudessa muuttua. Kiinassa valmistetut autot mielellään suosivat edelleen NdFeB-magneetteja, mutta toiset saattavat haluta katsella muita vaihtoehtoja.

Sähköautojen moottorit näyttävät vaikuttavilta, hyvän insinöörityön tuloksilta, jotka on suunniteltu suurin piirtein oikein. Muistan ensimmäiset kuvat hybridiautojen sähkömoottoreista 20 vuoden takaa, jotka näyttivät lähinnä idioottimaisilta sisäpiirivitseiltä. Mutta nyt vaikuttaa, että autonvalmistajat ovat palkanneet päteviä moottorisuunnittelijoita.

Moottoriteknologia, jota tässä on käyty läpi indikoi, että sähköiset voimalinjat ovat tulleet jäädäkseen. Kun niiden suorituskykyarvoja katselee, on hankala kuvitella, että vanhat polttomoottorit yllättäen kimpoaisivat takaisin aallonharjalle ja valtaisivat markkinat uudelleen. Kuitenkin internetissä näyttäisi olevan yllättävän paljon harhaanjohtavaa ja kokonaan väärää tietoa näistä moottoreista. Autotoimittajat, blogikirjoittajat ja itse autonvalmistajat tuntuvat olevan hukassa sähkökoneisiin liittyvän terminologian kanssa. Tämä vain on merkki siitä, kuinka perinteinen teollisuudenala siirtyy uudelle alueelle ja oppii koko ajan uutta. Ja siitä, että yhä on sijaa kehitykselle.

 

References

  1. Wikipedia englannin kielellä, Saatavilla: https://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page
  2. EVspecifications, Saatavilla: https://www.evspecifications.com/
  3. Robin Thomas, Hugo Husson, Lauric Garbuio, Laurent Gerbaud. Comparative study of the Tesla Model S and Audi e-Tron Induction Motors. 17-th International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), Jul 2021, Sofia (on line), Bulgaria. hal-03304650
  4. MotorTrend, No Magnets, Big Power: BMW’s Fifth-Generation Electric Motor, Saatavilla: https://www.motortrend.com/news/bmw-ix-m60-brushed-electric-motor-tech-deep-dive/
  5. Munro Live, Ford Mach-E Rear Motor Teardown and Analysis, Saatavilla: https://www.youtube.com/watch?v=mHVV52lPyIs
  6. Munro Live, Hyundai/Kia E-GMP Electric Drive Units – Clever, Cost Efficient, and Future-Proofed, %Available at: https://www.youtube.com/watch?v=xm4VDfdKUm0
  7. Lucid Tech Talk, Episode 4: Drive Unit: Motor, Saatavilla: https://lucidmotors.com/tech-talks
  8. Mercedes: All-electric Driving Performance in a luxurious ambience: The new Mercedes-AMG EQS 53 4MATIC+ with battery-electric drive, Saatavilla: https://media.mercedes-benz.com/article/33afcb1a-8f3f-47a6-a211-6d8995ff5c23
  9. Inside EVs: Mercedes-Benz Reveals Technical Specs For EQS Electric Sedan, Saatavilla: https://insideevs.com/news/498761/mercedes-technical-specs-eqs/
  10. Porsche: The powertrain: Pure performance, Saatavilla: https://newsroom.porsche.com/en/products/taycan/powertrain-18555.html
  11. Porsche: High voltage: Porsche electric motors explained, Saatavilla: https://newsroom.porsche.com/en/2021/innovation/porsche-electric-motors-taycan-high-voltage-christophorus-398-23809.html
  12. Munro Live: A Multitude of Motors | Rivian R1T Electric Drive Unit, Saatavilla: https://www.youtube.com/watch?v=Ldw5w3x5kUc
  13. Munro Live: Tesla Model S Plaid Motor EXTRAVAGANZA, Saatavilla: https://www.youtube.com/watch?v=4lGVimLK58g
  14. Antti Lehikoinen, Tesla’s ”Carbon-wrapped” motor, Saatavilla: https://www.anttilehikoinen.fi/technology/electrical-engineering/teslas-carbon-wrapped-motor/
  15. Autoevolution, Tesla’s New Hairpin Stator Revealed in Drive Unit Teardown, Sandy Munro Missed the Moment, Saatavilla: https://www.autoevolution.com/news/tesla-s-new-hairpin-stator-revealed-in-drive-unit-teardown-sandy-munro-missed-the-moment-212457.html#agal_0
  16. Volkswagen: Volkswagen offers additional all-wheel drive version for the ID.4 , Saatavilla: https://www.volkswagen-newsroom.com/en/press-releases/volkswagen-offers-additional-all-wheel-drive-version-for-the-id4-8001
  17. Munro Live: Volkswagen ID.4: Electric Motor Teardown and Analysis, Saatavilla: https://www.youtube.com/watch?v=3Bab6CttkEY