Autoenthusiasten waren schon immer motorenbegeistert, aber die Elektrifizierung ist nicht aufzuhalten und die Wissensreserven mancher Menschen müssen möglicherweise aktualisiert werden.
Am bekanntesten ist heute der Viertaktmotor, der auch die Antriebsquelle für die meisten benzinbetriebenen Fahrzeuge darstellt.Ähnlich wie die Viertakt-, Zweitakt- und Wankelrotormotoren von Verbrennungsmotoren können Elektrofahrzeugmotoren je nach Rotorunterschied in Synchronmotoren und Asynchronmotoren unterteilt werden. Asynchronmotoren werden auch als Induktionsmotoren bezeichnet, während Synchronmotoren Permanentmagnete enthalten. und Strom, um den Motor anzuregen.
Stator und Rotor
Alle Arten von Elektrofahrzeugmotoren bestehen aus zwei Hauptteilen: einem Stator und einem Rotor.
Stator▼
Der Stator ist der stationäre Teil des Motors und das feste Gehäuse des Motors, das wie der Motorblock am Chassis montiert ist.Der Rotor ist der einzige bewegliche Teil des Motors, ähnlich der Kurbelwelle, der das Drehmoment über das Getriebe und das Differential überträgt.
Der Stator besteht aus drei Teilen: Statorkern, Statorwicklung und Rahmen.Die vielen parallelen Nuten im Statorkörper sind mit miteinander verbundenen Kupferwicklungen gefüllt.
Diese Wicklungen enthalten saubere Haarnadel-Kupfereinsätze, die die Schlitzfüllungsdichte und den direkten Draht-zu-Draht-Kontakt erhöhen.Dichte Wicklungen erhöhen die Drehmomentkapazität, während die Enden sauberer versetzt sind, wodurch das Volumen reduziert und das Gesamtpaket kleiner wird.
Stator und Rotor▼
Die Hauptfunktion des Stators besteht darin, ein rotierendes Magnetfeld (RMF) zu erzeugen, während die Hauptfunktion des Rotors darin besteht, durch die magnetischen Kraftlinien im rotierenden Magnetfeld zu schneiden, um (Ausgangs-)Strom zu erzeugen.
Der Motor nutzt dreiphasigen Wechselstrom zur Einstellung des Drehfeldes und seine Frequenz und Leistung werden von einer Leistungselektronik gesteuert, die auf das Gaspedal reagiert.Da es sich bei Batterien um Gleichstromgeräte (DC) handelt, umfasst die Leistungselektronik des Elektrofahrzeugs einen DC-AC-Wechselrichter, der den Stator mit dem notwendigen Wechselstrom versorgt, um das entscheidende variable rotierende Magnetfeld zu erzeugen.
Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass diese Motoren auch Generatoren sind, was bedeutet, dass die Räder den Rotor im Stator zurücktreiben und so ein rotierendes Magnetfeld in die andere Richtung induzieren, das über einen AC-DC-Wandler Strom zurück zur Batterie sendet.
Dieser als regeneratives Bremsen bezeichnete Vorgang erzeugt Luftwiderstand und verlangsamt das Fahrzeug.Die Regeneration ist nicht nur von zentraler Bedeutung für die Reichweitenverlängerung von Elektrofahrzeugen, sondern auch für hocheffiziente Hybridfahrzeuge, da eine umfassende Regeneration den Kraftstoffverbrauch senkt.Doch in der Praxis ist die Regeneration nicht so effizient wie das „Rollen“ des Autos, wodurch Energieverluste vermieden werden.
Die meisten Elektrofahrzeuge sind auf ein Ein-Gang-Getriebe angewiesen, um das Durchdrehen zwischen Motor und Rädern zu verlangsamen.Elektromotoren sind wie Verbrennungsmotoren bei niedrigen Drehzahlen und hoher Last am effizientesten.
Während ein Elektrofahrzeug mit einem einzigen Gang eine ordentliche Reichweite erreichen kann, verwenden schwerere Pickups und SUVs Mehrganggetriebe, um die Reichweite bei hohen Geschwindigkeiten zu erhöhen.
Elektrofahrzeuge mit mehreren Gängen sind selten und heute verwenden nur der Audi e-tron GT und der Porsche Taycan Zweiganggetriebe.
Drei Motortypen
Der im 19. Jahrhundert entstandene Rotor des Induktionsmotors besteht aus länglichen Schichten oder Streifen aus leitfähigem Material, meist Kupfer und manchmal Aluminium.Das rotierende Magnetfeld des Stators induziert einen Strom in diesen Blechen, der wiederum ein elektromagnetisches Feld (EMF) erzeugt, das innerhalb des rotierenden Magnetfelds des Stators zu rotieren beginnt.
Induktionsmotoren werden als Asynchronmotoren bezeichnet, da das induzierte elektromagnetische Feld und das Drehmoment nur dann erzeugt werden können, wenn die Rotorgeschwindigkeit hinter dem rotierenden Magnetfeld zurückbleibt.Diese Art von Motoren ist weit verbreitet, da sie keine Seltenerdmagnete benötigen und relativ kostengünstig herzustellen sind.Allerdings können sie bei anhaltend hoher Belastung weniger Wärme ableiten und sind bei niedrigen Geschwindigkeiten von Natur aus weniger effizient.
Wie der Name schon sagt, verfügt der Rotor eines Permanentmagnetmotors über einen eigenen Magnetismus und benötigt keine Energie, um das Magnetfeld des Rotors zu erzeugen.Sie sind bei niedrigen Geschwindigkeiten effizienter.Ein solcher Rotor dreht sich ebenfalls synchron mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators und wird daher als Synchronmotor bezeichnet.
Allerdings bringt das bloße Umwickeln des Rotors mit Magneten seine eigenen Probleme mit sich.Erstens erfordert dies größere Magnete, und aufgrund des zusätzlichen Gewichts kann es schwierig sein, bei hohen Geschwindigkeiten synchron zu bleiben.Das größere Problem ist jedoch die sogenannte Hochgeschwindigkeits-„Gegen-EMK“, die den Luftwiderstand erhöht, die Spitzenleistung begrenzt und übermäßige Wärme erzeugt, die die Magnete beschädigen kann.
Um dieses Problem zu lösen, verfügen die meisten Permanentmagnetmotoren für Elektrofahrzeuge über interne Permanentmagnete (IPMs), die paarweise in V-förmigen Längsnuten gleiten, die in mehreren Lappen unter der Oberfläche des Eisenkerns des Rotors angeordnet sind.
Die V-Nut hält die Permanentmagnete bei hohen Geschwindigkeiten sicher, erzeugt jedoch ein Reluktanzmoment zwischen den Magneten.Magnete werden von anderen Magneten entweder angezogen oder abgestoßen, aber durch gewöhnliche Reluktanz werden die Lappen des Eisenrotors vom rotierenden Magnetfeld angezogen.
Bei niedrigen Drehzahlen kommen die Permanentmagnete ins Spiel, bei hohen Drehzahlen übernimmt das Reluktanzmoment.Prius wird in dieser Struktur verwendet.
Die letzte Art stromerregter Motoren kommt erst seit Kurzem in Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Bei beiden oben genannten handelt es sich um bürstenlose Motoren. Die gängige Meinung besagt, dass bürstenlose Motoren die einzig praktikable Option für Elektrofahrzeuge sind.Und BMW hat kürzlich gegen die Norm verstoßen und in die neuen Modelle i4 und iX bürstenbehaftete, stromerregte Wechselstrom-Synchronmotoren eingebaut.
Der Rotor dieses Motortyps interagiert mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators, genau wie ein Permanentmagnetrotor, aber anstelle von Permanentmagneten verwendet er sechs breite Kupferkeulen, die die Energie einer Gleichstrombatterie nutzen, um das notwendige elektromagnetische Feld zu erzeugen .
Dies erfordert die Installation von Schleifringen und Federbürsten auf der Rotorwelle. Daher befürchten manche Menschen, dass sich die Bürsten abnutzen und Staub ansammeln, und verzichten auf diese Methode.Obwohl die Bürstenanordnung in einem separaten Gehäuse mit abnehmbarer Abdeckung untergebracht ist, bleibt abzuwarten, ob Bürstenverschleiß ein Problem darstellt.
Durch den Verzicht auf Permanentmagnete werden die steigenden Kosten für Seltene Erden und die Umweltauswirkungen des Bergbaus vermieden.Diese Lösung ermöglicht es auch, die magnetische Feldstärke des Rotors zu variieren und so eine weitere Optimierung zu ermöglichen.Dennoch verbraucht der Antrieb des Rotors immer noch etwas Strom, wodurch diese Motoren weniger effizient sind, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, wo die zur Erzeugung des Magnetfelds erforderliche Energie einen größeren Anteil des Gesamtverbrauchs ausmacht.
In der kurzen Geschichte der Elektrofahrzeuge sind stromerregte Wechselstrom-Synchronmotoren relativ neu, und es gibt immer noch viel Raum für die Entwicklung neuer Ideen, und es gab große Wendepunkte, wie etwa Teslas Übergang von Induktionsmotorkonzepten zu permanenten Motoren Magnete Synchronmotor.Und wir befinden uns noch nicht einmal ein Jahrzehnt im Zeitalter des modernen Elektrofahrzeugs und fangen gerade erst an.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 21.01.2023