Integroidut sähköiset käyttöyksiköt

Integroitu sähköinen käyttöyksikkö kokoaa useita voimansiirron toimintoja yhteen kokonaisuuteen. Vähintään siihen kuuluvat ajomoottori ja alennusvaihde; pitkälle integroitu sähköakseli voi sisältää myös invertterin, tasauspyörästön, pysäköintilukon, voitelun, pumput, jäähdytyskanavat, anturit ja ohjauselektroniikan.

Mitä integrointi tarkoittaa

Käsitteiden sähköakseli, sähköinen käyttöyksikkö, sähköinen käyttömoduuli ja integroitu käyttöyksikkö tuoterajaukset eivät ole standardoituja. Yksi toimittaja voi kutsua moottorin ja vaihteiston kokonaisuutta sähköakseliksi, kun taas toinen käyttää samaa nimitystä vain silloin, kun invertteri ja tasauspyörästö sisältyvät siihen.

Toimintaketju pysyy samana:

korkeajännitteinen tasavirta saapuu invertteriin;
ohjattu vaihevirta tuottaa moottorin vääntömomentin;
alennusvaihteet muuttavat moottorin nopeutta lähtövääntömomentiksi;
tasauspyörästö tai erilliset hammaspyöräreitit jakavat vääntömomentin pyörille;
laakerit, voitelu, jäähdytys, anturit ja ohjelmisto pitävät kokonaisuuden käyttörajojen sisällä.

Integrointi muuttaa näiden rajojen fyysistä sijaintia. Se ei poista niiden taustalla olevia toimintoja.

Pakkaus- ja sähkötekniset edut

Invertterin sijoittaminen lähelle moottoria lyhentää suurivirtaisia vaihtovirtaliitäntöjä. Lyhyet virtakiskot tai sisäiset johtimet voivat vähentää kaapelien massaa, resistanssia, induktanssia, sähkömagneettisia päästöjä, liittimiä ja kokoonpanovaiheita. Yhteiset kotelot ja rakenteelliset seinämät voivat pienentää tilantarvetta ja poistaa päällekkäisiä kiinnikkeitä.

BMW:n viidennen sukupolven käyttöjärjestelmä yhdistää moottorin, tehoelektroniikan ja voimansiirron samaan koteloon. Bosch kuvaa eAxle-ratkaisun, joka yhdistää samat kolme päätoimintoa, kun taas ZF:n modulaarinen alusta käsittelee myös ohjelmiston ja tarvittaessa muuntimen järjestelmätason rakennusosina.

Kompakti sijoittelu voi vapauttaa tilaa akkukennoille, jousitusgeometrialle, törmäysrakenteelle, matkustamolle tai tavaroille. Koaksiaalisissa rakenteissa moottorin akseli, hammaspyörät, tasauspyörästö ja vetoakselit ovat samalla linjalla, kun taas rinnakkaisakseliset rakenteet siirtävät moottoria akselikorkeuden ja käytettävissä olevan tilan mukaan. Kumpikaan ei ole itsessään tehokkaampi; hammaskosketukset, laakerikuormat, välityssuhde, jäähdytys ja tilarajoitteet ratkaisevat lopputuloksen.

Yhteinen jäähdytys ja voitelu

Integrointi mahdollistaa lämpöreittien suunnittelun koko järjestelmän ympärille. Vesi-glykolipiiri voi jäähdyttää invertteriä ja staattorin koteloa, kun taas öljy voitelee hammaspyöriä ja laakereita sekä jäähdyttää käämejä tai roottoria suoraan. Lämpöä voidaan siirtää öljyn, jäähdytysnesteen, kylmäaineen ja ajoneuvon laajemman lämpöjärjestelmän välillä.

Yhteinen neste voi vähentää komponentteja, mutta se asettaa yhteensopivuusvaatimuksia. Voiteluaineen on tuettava hammaskosketusta, laakerien käyttöikää, pumpun toimintaa, sähköeristystä, yhteensopivuutta kuparin ja polymeerien kanssa, ilmastumisen hallintaa sekä ennustettavaa viskositeettia koko lämpötila-alueella. Metalliset kulumishiukkaset eivät saa päästä herkille sähköisille eristysväleille.

Kuivasumppurakenteissa pumppu kerää öljyn ja toimittaa sen tarvittaviin kohteisiin sen sijaan, että pyörivät hammaspyörät olisivat syvällä öljyssä. Tämä voi vähentää sekoitushäviöitä ja parantaa jäähdytyksen hallintaa, mutta pumpun tehontarve, suodatus, venttiilit ja vikatilanteiden käsittely tulevat osaksi käyttöyksikön hyötysuhdetta ja kestävyyttä.

Laakerit, akselit ja sähkövirrat

Moottorin laakerit kannattelevat suurilla nopeuksilla pyörivää roottoria ja säilyttävät kapean ilmavälin, kun taas vaihteiston ja tasauspyörästön laakerit vastaanottavat hammaspyörien erotusvoimat ja pyöräkuormat. Arkkitehtuuri määrittää, mitkä kuormat jakavat akselin tai kotelon. Lämpölaajeneminen, kotelon jäykkyys, esijännitys, voitelu ja valmistuksen kohdistustarkkuus vaikuttavat kitkaan, meluun ja käyttöikään.

Invertterin kytkentä voi muodostaa roottorin ja staattorin välille yhteismuotojännitteen. Jos akselijännite purkautuu laakerin kautta, toistuvat valokaaret voivat vaurioittaa vierintäpintoja ja voiteluainetta. Riskiä hallitaan maadoitusharjoilla, johtavilla reiteillä, eristetyillä laakereilla tai hybridilaakereilla, yhteismuotosuodatuksella, käämityssuunnittelulla ja invertterin ohjauksella.

Tiivisteiden on pidettävä voiteluaine sisällä ja epäpuhtaudet ulkona ilman liiallista vastusta. Pienellä nopeudella hyvin toimiva tiiviste voi tuottaa lämpöä suurella moottorin pyörimisnopeudella; paineen vaihtelut ja ilmastunut öljy vaikeuttavat tehtävää entisestään.

NVH suunnitellaan järjestelmätasolla

Moottorin sähkömagneettiset voimat, invertterin kytkentä, hammaskosketuksen heräte, laakeritaajuudet, öljypumput ja kotelon resonanssit sijoittuvat kuuloalueen eri mutta toisiinsa vaikuttaviin osiin. Hiljaisempi moottori voi tuoda esiin aiemmin peittyneen vaihdeulinan.

Viistohampaiset pyörät voivat vähentää äkillistä hammaskosketusta, mutta ne synnyttävät aksiaalikuormaa. Hampaiden mikrogeometria, pinnanlaatu, laakerituenta, roottorin segmentointi, kytkentästrategia, kotelon jäykisterivat, kiinnikkeet ja voiteluaine vaikuttavat kaikki matkustamoon kantautuvaan ääneen.

Integrointi voi parantaa NVH-ominaisuuksia antamalla suunnittelijoille koko rakenteen hallinnan. Se voi myös kytkeä lähteitä voimakkaammin yhteisen kotelon kautta. Siksi simulointi ja dynamometritestaus tarvitsevat sähkömagneettisia, rakenteellisia, akustisia ja ohjausteknisiä malleja erillisten komponenttitavoitteiden sijaan.

Hyötysuhde ja komponenttioptimoinnin vaara

Tehokkain moottori ei automaattisesti kuulu tehokkaimpaan käyttöyksikköön. Suuremman välityssuhteen vaativa moottorigeometria voi lisätä hammaspyörä- tai laakerihäviöitä. Moottorin harmonisia pienentävä kytkentätaajuus voi kasvattaa invertterihäviöitä. Paksumpi öljy voi suojata hammaspyöriä kuormitettuna mutta samalla lisätä kylmän öljyn sekoitushäviöitä.

Järjestelmän optimoinnissa arvioidaan häviöt akusta pyörille odotetun käyttöjakson aikana. Merkityksellisiä häviöitä ovat:

invertterin johtumis- ja kytkentähäviöt;
staattorin ja roottorin sähkömagneettiset häviöt;
hammaspyörien, laakerien ja tiivisteiden häviöt sekä öljyn sekoitus;
öljy- ja jäähdytysnestepumput;
ohjauselektroniikka ja toimilaitteet;
akselin irtikytkennät tai pysäköintilukot niiden ollessa kytkettyinä tai pyöriessä.

Siksi toimittajat esittävät moottorin, invertterin, voimansiirron, jäähdytyksen ja ohjelmiston yhä useammin yhtenä kalibroituna tuotteena.

Kestävyys, turvallisuus ja huolto

Integroidun yksikön on kestettävä vääntömomentin suunnanvaihdot, akseleiden välittämät reunakivi-iskut, tien epäpuhtaudet, altistuminen jäähdytysnesteelle ja öljylle, tärinä, lämpösyklit, ylinopeus sekä korkeajänniteviat. Pysäköintilukot ja irtikytkentäkytkimet tuovat omat kuormitustilanteensa.

Ulkoisten liitäntöjen vähentäminen voi parantaa luotettavuutta. Yhteinen kotelo voi myös tehdä paikallisen vian korjaamisesta kalliimpaa, jos huoltostrategia edellyttää koko kokonaisuuden vaihtamista. Modulaarinen sisärakenne, diagnostiikan kattavuus, nestehuollon järjestelyt, vaihdettava tehoelektroniikka ja kunnostussuunnitelmat ratkaisevat, muuttuuko fyysinen integrointi myös huollon integroinniksi.

Törmäysturvallisuuden on estettävä kotelon murtuminen, nestevuodot, paljastunut korkeajännite ja hallitsematon vääntömomentti. Invertterin turvallinen tila ja kestomagneettimoottorin pyöriessään tuottama jännite ovat edelleen merkityksellisiä myös vääntömomentin poistamisen jälkeen.

Mitä teknisissä tiedoissa pitäisi ilmoittaa

Hyödyllinen käyttöyksikön tekninen määrittely yksilöi mukana olevat komponentit ja mittausrajan. Siinä pitäisi ilmoittaa moottorityyppi, invertteriteknologia, tasajännite, välityssuhde, moottorin ja lähdön vääntömomentti, huippu- ja jatkuva teho, moottorin enimmäisnopeus, jäähdytysmenetelmä, voitelustrategia, kokonaismassa sekä se, sisältyvätkö invertteri ja vaihteisto hyötysuhteeseen.

Ilman tätä rajausta eri toimittajien tehotiheys- ja hyötysuhdelukuja ei voida verrata tasapuolisesti.

Jatka moottorisarjan lukemista

Palaa sivulle Electric Motors and Drive Units tai tutustu aiheeseen liittyviin lukuihin traction inverter, motor cooling ja reduction gears and transmissions.