Γιατί ένας ηλεκτροκινητήρας;
Αφού ο κινητήρας εσωτερικής καύσης παρείχε πρακτικά ασυναγώνιστη πρόωση στην ατομική κινητικότητα τα τελευταία 130 χρόνια, επί του παρόντος εμφανίζεται μια παραδειγματική αλλαγή. Για να περιοριστεί η κλιματική αλλαγή και να μειωθούν αισθητά τα υψηλά επίπεδα θορύβου και ατμοσφαιρικών ρύπων στις μεγάλες πόλεις, δεν χρειάζονται μόνο νέες ιδέες κινητικότητας.
Απαιτούνται επίσης συστήματα μετάδοσης κίνησης που δεν χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα και λειτουργούν με μηδενικές εκπομπές, τουλάχιστον τοπικά. Αυτό εστιάζει σε ένα σύστημα πρόωσης που η Γερμανική αυτοκινητοβιομηχανία από την κατασκευή του αυτοκινήτου Flocken το 1888 είχε χάσει σε κάποιο βαθμό τα μάτια της: τον ηλεκτροκινητήρα.
Σε μικρή κλίμακα, λειτουργεί σε δισεκατομμύρια οικιακές συσκευές κάθε είδους, είτε πρόκειται για πλυντήρια ρούχων είτε για μπλέντερ. Σε μεγάλη κλίμακα, προωθεί τρένα, μετακινεί ανθρώπους σε ανελκυστήρες και ανυψώνει φορτία σε γερανούς. Τώρα πρόκειται να δούμε μια αναβίωση στη μηχανική αυτοκινήτων.
Πώς λειτουργεί ένας ηλεκτροκινητήρας
Ο καθηγητής φυσικής μας, συνήθιζε να το εξηγεί ως εξής: Με απλά λόγια, ένας ηλεκτροκινητήρας αποτελείται από τρία εξαρτήματα: έναν στάτη, έναν ρότορα και έναν μεταγωγέα. Ο στάτης είναι ένας μαγνήτης που είναι μόνιμα συνδεδεμένος με το περίβλημα.
Ο ρότορας βρίσκεται μεταξύ της βόρειας και της νότιας πλευράς αυτού του μαγνήτη. Κάθεται στον άξονα του κινητήρα και αποτελείται από σίδερο γύρω από το οποίο τυλίγεται χάλκινο σύρμα. Όταν το ρεύμα ρέει μέσα από το σύρμα, ο ρότορας γίνεται ηλεκτρομαγνήτης που έχει επίσης βόρειο και νότιο πόλο.
Επειδή οι ίδιοι μαγνητικοί πόλοι απωθούνται μεταξύ τους, ο ρότορας περιστρέφεται μόλις οι ίδιοι πόλοι του ρότορα και του στάτη βρίσκονται ο ένας στον άλλον. Ωστόσο, μετά από μισή περιστροφή, οι δύο ελκούμενοι βόρειοι και νότιοι πόλοι των δύο μαγνητών θα ήταν ο ένας δίπλα στον άλλο και η περιστροφή θα σταματούσε αμέσως. Γι’ αυτό, μετά από μισή περιστροφή, η κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος στο χάλκινο σύρμα του ρότορα απλώς αντιστρέφεται.
Αυτή η αντιστροφή της πολικότητας επιτυγχάνεται μέσω των συρόμενων επαφών στον μεταγωγέα. Στην περίπτωση των κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος, η πολικότητα του μαγνητικού πεδίου αντιστρέφεται αυτόματα σε συγχρονισμό με τον κύκλο της συχνότητας του δικτύου, ο οποίος στα 50 ή 60 hertz εμφανίζεται 50 ή 60 φορές ανά δευτερόλεπτο.
Ποιοι κινητήρες χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα;
Οι ηλεκτροκινητήρες συνεχούς ρεύματος δεν παίζουν πλέον κανένα ρόλο ως κινητήρες έλξης στα σημερινά επιβατικά αυτοκίνητα. Χρησιμοποιούνται μόνο ως σερβοκινητήρες, για παράδειγμα σε ηλεκτρικά παράθυρα. Τα ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούν κινητήρες AC για πρόωση.
Παρά τη μεγαλύτερη τεχνική πολυπλοκότητά τους, προσφέρουν μια σειρά πλεονεκτημάτων: μεγάλη διάρκεια ζωής και χαμηλή συντήρηση και, κυρίως, υψηλά επίπεδα απόδοσης και πυκνότητας ισχύος.
Σε αντίθεση με αυτούς των κινητήρων συνεχούς ρεύματος, οι στάτες των κινητήρων AC αποτελούνται από τουλάχιστον τρία πηνία. Μαζί, δημιουργούν ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο που αντιστοιχεί σε αυτό του ρότορα.
Είναι όλοι οι κινητήρες AC που κατασκευάζονται ισοδύναμοι;
Η απάντηση είναι Όχι. Οι κινητήρες AC ταξινομούνται είτε ως σύγχρονοι είτε ως ασύγχρονοι κινητήρες. Σε έναν σύγχρονο κινητήρα, το μαγνητικό πεδίο κινείται σε συγχρονισμό με την ταχύτητα του ρότορα. Η διέγερση του ρότορα μπορεί να προέρχεται από μόνιμους μαγνήτες. Σε αυτή την περίπτωση, ο κινητήρας αναφέρεται ως μόνιμα διεγερμένος σύγχρονος κινητήρας (PSM - Permanently excited Synchronous Motor).
Ή διέγερση προκαλείται από ρεύματα που προκαλούνται στις περιελίξεις, οπότε ο κινητήρας είναι ένας ξεχωριστά διεγερμένος σύγχρονος κινητήρας (SSM-Separately excited Synchronous Motor). Η μαγνητική δύναμη περιστροφής δημιουργείται από το ρεύμα που διαρρέει τις περιελίξεις του στάτη.
Στην περίπτωση του ασύγχρονου κινητήρα (ASM-Αsynchronous Μotor), το μαγνητικό πεδίο κινείται σε αλληλεπίδραση με το πεδίο διέγερσης του ρότορα, δηλ. π.χ. ασύγχρονα. Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα στις περιελίξεις του ρότορα δημιουργεί τη μαγνητική δύναμη περιστροφής με το πεδίο διέγερσης.
Ασύγχρονος ή μόνιμα διεγερμένος σύγχρονος κινητήρας;
Συμπαγής ηλεκτρικός κινητήρας από τη Schaeffler σε υβριδικό κιβώτιο ταχυτήτων
Εξαρτάται από το σκοπό για τον οποίο χρησιμοποιείται. Ένας μόνιμα διεγερμένος σύγχρονος κινητήρας (PSM) είναι βασικά ανώτερος από μια ασύγχρονη μονάδα (ASM) όσον αφορά την απόδοση και την πυκνότητα ισχύος. Σε υψηλότερες ταχύτητες περιστροφής, η απόδοση ενός ASM πλησιάζει περισσότερο αυτή ενός PSM.
Ωστόσο, ένα καλά σχεδιασμένο PSM θα κερδίζει πάντα ως κινητήρας έλξης, αν και ένα ASM έχει επίσης πλεονεκτήματα: Δεν απαιτεί ακριβούς μαγνήτες και δεν έχει ροπή έλξης.
Το τελευταίο σημαίνει ότι δεν παράγει αντίθετη ροπή όταν δεν ενεργοποιείται - και έτσι δεν θα επιβραδύνει την πρόωση. Κατά συνέπεια, ένα ASM είναι ιδανικό για χρήση ως πρόσθετος κινητήρας μετάδοσης κίνησης, για παράδειγμα σε ένα ηλεκτρικό σύστημα τετρακίνησης, επειδή το όχημα κινείται σε μεγάλο βαθμό μόνο με τον κύριο κινητήριο άξονα και το ASM λειτουργεί απλώς παράλληλα.
Τώρα τα πλεονεκτήματα και των δύο πλευρών, π.χ. η πυκνότητα ισχύος υψηλού επιπέδου, η καλή απόδοση, οι μαγνήτες και η ροπή έλξης πρέπει να συνδυαστούν. «Σε αυτή την κατεύθυνση, μπορούμε να περιμένουμε σημαντικές δυνατότητες του ξεχωριστά διεγερμένου σύγχρονου κινητήρα. Συμβαίνουν πολλά σε αυτόν τον τομέα αυτή τη στιγμή», λέει ο Thomas Pfund, ο οποίος ηγείται της επιχειρηματικής μονάδας E-Systems της Schaeffler.
Πώς μπορεί ακόμα να βελτιωθεί ο ηλεκτροκινητήρας;
Από τότε που η αυτοκινητοβιομηχανία ανακάλυψε ξανά τον ηλεκτροκινητήρα ως ηλεκτρική μηχανή πρόωσης, οι κατασκευαστές και οι προμηθευτές οχημάτων ήταν απασχολημένοι με την εξερεύνηση τρόπων βελτιστοποίησης αυτής της τεχνολογίας.
Ο ειδικός Pfund σκιαγραφεί τις προκλήσεις: «Η απόδοση και η πυκνότητα ισχύος πρέπει να βελτιωθούν, το κόστος παραγωγής να μειωθεί με νέες τεχνολογίες κατασκευής και βελτιστοποιημένη χρήση υλικών και να ελαχιστοποιηθούν οι εκπομπές θορύβου» – σε τελική ανάλυση, ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο δεν πρέπει να βουίζει σαν τραμ.
Ακόμη πιο σημαντικό, προσθέτει, είναι ένα άλλο αποτέλεσμα: «Λόγω της αυξανόμενης απόδοσης του κινητήρα, τα μελλοντικά ηλεκτρικά οχήματα θα απαιτούν λιγότερη ενέργεια και ως αποτέλεσμα, θα προσφέρουν πολύ μεγαλύτερη αυτονομία με μία μόνο φόρτιση μπαταρίας».
Η Schaeffler προσφέρει ηλεκτροκινητήρες με εύρος ισχύος από 15 έως 300 kW
Συμβάλλει η Formula E στη βελτιστοποίηση του ηλεκτροκινητήρα;
Στους αγώνες αυτοκινήτων, η αυτοκινητοβιομηχανία δοκιμάζει τα όρια του τι είναι τεχνικά εφικτό. Αυτό ισχύει και για τη Formula E.
Οι ηλεκτροκινητήρες PSM στα αγωνιστικά αυτοκίνητα της ομάδας Audi Sport ABT Schaeffler είναι από τους πιο αποδοτικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε ολόκληρο τον τομέα, αλλά και ακραίες μονάδες από λεπτομερή οπτική γωνία:
Τα χαλύβδινα πάνελ αποτελούν τα πακέτα χάλυβα του Audi e-tron FE06 που έχει ένα απλό πάχος 0,05 χιλιοστών (0,002 ίντσες) προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες που προκαλούνται από τον «βρώμικο αέρα».
Προφανώς, αυτό έχει ένα τίμημα. Τα φύλλα χάλυβα που χρησιμοποιούνται σήμερα στα αυτοκίνητα παραγωγής είναι περίπου πέντε φορές πιο παχιά. Τέτοια παραδείγματα δείχνουν πού τα υλικά και οι διαδικασίες παραγωγής φτάνουν στα όριά τους και καταλήγουν σε σημαντικά ευρήματα ότι η Schaeffler συμβάλλει στη μαζική παραγωγή ηλεκτρικών κινητήρων.
Ένα άλλο θέμα που σχετίζεται με την παραγωγή είναι το γεγονός ότι οι ημιαγωγοί SiC λειτουργούν με σαφώς υψηλότερες συχνότητες κύκλου και επομένως έχουν επίσης επιπτώσεις στους ηλεκτρικούς κινητήρες.
Η Formula E άρχισε να χρησιμοποιεί αυτήν την τεχνολογία και τώρα οι μετατροπείς (SiC inverters) έχουν βρει επίσης τον δρόμο τους στην παραγωγή. Έξυπνα σχέδια, π.χ. για συστήματα ψύξης, έχουν μεγάλες δυνατότητες υιοθέτησης και από τη μαζική παραγωγή. Ο ειδικός της Schaeffler, Pfund, είναι σίγουρος ότι «ο αγώνας μόλις ξεκίνησε».
Ποιος είναι ο ρόλος της περιέλιξης του πηνίου;
Οι κινητήρες έλξης για ηλεκτρικά αυτοκίνητα λειτουργούν με υψηλές ταχύτητες περιστροφής. Ο ρότορας μπορεί να περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του με περισσότερες από 18.000 στροφές ανά λεπτό.
Για να μην υπερθερμανθεί ο κινητήρας ενώ παρέχει συνεχώς υψηλή πυκνότητα ισχύος, οι αντιστάσεις των ενεργοποιημένων πηνίων πρέπει να ελαχιστοποιηθούν.
Η περιέλιξη των χάλκινων συρμάτων είναι μια επιστήμη από μόνη της και εξαιρετικά εξελιγμένη επίσης από την άποψη της τεχνολογίας κατασκευής.
Η κυματοειδής περιέλιξη ράβδου*, μια καινοτόμος μέθοδος που αναπτύχθηκε από τη θυγατρική της Schaeffler, Elmotec Statomat, υπόσχεται ένα αναπτυξιακό άλμα σε αυτόν τον τομέα.
Μια πλεγμένη λωρίδα από επίπεδα σύρματα εισάγεται στη συσκευασία φύλλου χάλυβα του στάτη που δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο.
Αυτή η αρχή επιτρέπει την επίτευξη πολύ υψηλού επιπέδου φόρτισης ενεργοποιημένου χαλκού. Η Thomas Pfund αναμένει αρχικά μόνιμα διεγερμένες σύγχρονες μηχανές που χρησιμοποιούν κυματοειδή περιέλιξη ράβδων να εμφανιστούν σε οχήματα παραγωγής από το 2023.
* Η κυματοειδής περιέλιξη (επίσης γνωστή ως περιέλιξη σειράς) είναι ένας τύπος περιέλιξης οπλισμού. Μαζί με τη περιέλιξη τυλίγματος οι κυματοειδείς περιελίξεις σχηματίζουν έναν από τους δύο τύπους περιελίξεων οπλισμού στις μηχανές συνεχούς ρεύματος. Σε μια κυματοειδή περιέλιξη, συνδέουμε το άκρο ενός πηνίου με την αρχή ενός άλλου πηνίου ίδιας πολικότητας.
Single tooth winding - Η περιέλιξη μονού δοντιού απαιτεί τον μικρότερο χώρο σχεδιασμού και προσφέρει πλεονεκτήματα παραγωγής για κεφαλές περιέλιξης
*Η περιέλιξη μονού δοντιού είναι μια ειδική παραλλαγή της διαδικασίας περιέλιξης της βελόνας. Εδώ τυλίγονται μονοί πόλοι ή ακόμα και αλυσίδες πόλων με στόχο την επίτευξη υψηλότερου επιπέδου πλήρωσης. Στην περιέλιξη με ένα δόντι, οι μονοί πόλοι περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους ενώ το σύρμα τροφοδοτείται από μια βελόνα.
Στη τεχνολογία φουρκέτας-Hairpin technology*, μια μεγάλη ποσότητα χαλκού εισάγεται στο πηνίο. Ο συντελεστής πλήρωσης είναι αντίστοιχα υψηλός
** Η τεχνολογία φουρκέτας είναι μια τεχνολογία περιέλιξης για στάτες σε ηλεκτροκινητήρες και γεννήτριες και χρησιμοποιείται επίσης για εφαρμογές κίνησης σε ηλεκτρικά οχήματα.
Σε αντίθεση με τις συμβατικές τεχνολογίες περιέλιξης, η τεχνολογία φουρκέτας βασίζεται σε συμπαγείς, επίπεδες ράβδους χαλκού που εισάγονται στη στοίβα του στάτη.
Οι απώλειες που εξαρτώνται από τη χαμηλή συχνότητα και η οικονομικά αποδοτική παραγωγή είναι τα πλεονεκτήματα της περιέλιξης στρογγυλού σύρματος-round wire winding***
***Η περιέλιξη του κινητήρα με στρογγυλό σύρμα είναι μια παραδοσιακή και ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική. Περιλαμβάνει την περιέλιξη κυλινδρικών χάλκινων καλωδίων γύρω από τις υποδοχές του στάτη ενός ηλεκτροκινητήρα.
Ο υψηλός συντελεστής πλήρωσης της κυματοειδούς περιέλιξης ράβδου που αναπτύχθηκε από τη θυγατρική της Schaeffler Elmotec Statomat παρέχει υψηλότερη πυκνότητα ισχύος
Υπάρχουν ακόμη δυνατότητες όσον αφορά την προστασία του περιβάλλοντος και τη μείωση του κόστους;
Υψηλές εντάσεις πεδίου όπως αυτές που απαιτούνται για τους κινητήρες έλξης μπορούν να δημιουργηθούν μόνο με μαγνήτες σπάνιων γαιών. Ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο στοιχείο ελαφρών-σπάνιων γαιών είναι το νεοδύμιο, το οποίο, με τη σωστή αναλογία συνδυασμού με άλλα στοιχεία όπως ο σίδηρος ή το βόριο, γίνεται μαγνήτης. Ωστόσο, ένας καθαρός μαγνήτης νεοδυμίου χάνει τη μαγνήτισή του σε θερμοκρασίες 80 βαθμών Κελσίου (176 °F). Για να αποφευχθεί αυτό, προστίθενται στοιχεία βαρέων σπάνιων γαιών όπως το δυσπρόσιο και το τέρβιο.
Αυτά είναι πραγματικά σπάνια και μπορούν να εξαχθούν μόνο με μια πολύπλοκη διαδικασία. Αυτό τα καθιστά «βάναυσα ακριβά», σύμφωνα με τον ειδικό Thomas Pfund. Ωστόσο, μια έξυπνη σχεδίαση του ηλεκτροκινητήρα και μια έξυπνη ιδέα ψύξης έχουν σαφώς μειώσει την αναλογία αυτών των κρίσιμων υλικών. Επίσης, οι εργασίες για την επίτευξη νέων συνδυασμών υλικών βρίσκονται σε εξέλιξη – αν και οι σπάνιες γαίες δεν μπορούν να απαλειφθούν πλήρως. Το πρόβλημα πάντως οξύνεται ιδιαίτερα μετά την απαγόρευση της εξαγωγής σπάνιων γαιών από την Κινέζική Κυβέρνηση. Το μέλλον θα δείξει!
Πηγη: Schaeffler
