Unità di propulsione elettrica integrate

Un’unità di propulsione elettrica integrata riunisce diverse funzioni di propulsione in un unico assieme. Come minimo combina un motore di trazione e un riduttore; un assale elettrico altamente integrato può includere anche inverter, differenziale, blocco di parcheggio, lubrificazione, pompe, passaggi di raffreddamento, sensori ed elettronica di controllo.

Che cosa significa integrazione

I termini assale elettrico, unità di propulsione elettrica, modulo di propulsione elettrica e unità di propulsione integrata non identificano confini di prodotto standardizzati. Un fornitore può chiamare assale elettrico un insieme di motore e riduttore, mentre un altro usa lo stesso termine solo quando sono inclusi inverter e differenziale.

La catena funzionale resta la stessa:

la corrente continua ad alta tensione raggiunge l’inverter;
la corrente di fase controllata genera la coppia del motore;
gli ingranaggi di riduzione scambiano velocità del motore con coppia in uscita;
un differenziale o percorsi di ingranaggi separati distribuiscono la coppia alle ruote;
cuscinetti, lubrificazione, raffreddamento, sensori e software mantengono l’assieme entro i limiti operativi.

L’integrazione modifica la posizione fisica di questi confini. Non elimina le funzioni sottostanti.

Vantaggi elettrici e di ingombro

Montare l’inverter vicino al motore accorcia i collegamenti CA ad alta corrente. Barre collettrici corte o conduttori interni possono ridurre la massa dei cavi, la resistenza, l’induttanza, le emissioni elettromagnetiche, i connettori e le fasi di assemblaggio. Carter e pareti strutturali condivisi possono ridurre il volume occupato ed eliminare staffe duplicate.

La propulsione di quinta generazione di BMW combina motore, elettronica di potenza e trasmissione in un unico alloggiamento. Bosch descrive un eAxle che integra le stesse tre funzioni principali, mentre la piattaforma modulare di ZF considera anche il software e, quando necessario, un convertitore come elementi costitutivi a livello di sistema.

Un’architettura compatta può liberare spazio per celle della batteria, geometria delle sospensioni, struttura di assorbimento degli urti, abitacolo o bagagli. Le configurazioni coassiali allineano albero motore, ingranaggi, differenziale e semiassi, mentre quelle ad assi paralleli disassano il motore per adattarlo all’altezza dell’assale e allo spazio disponibile. Nessuna è intrinsecamente più efficiente; ingranamenti, carichi sui cuscinetti, rapporto, raffreddamento e vincoli di spazio determinano il risultato.

Raffreddamento e lubrificazione condivisi

L’integrazione consente di progettare i percorsi termici attorno al sistema completo. Un circuito acqua-glicole può raffreddare l’inverter e il carter dello statore, mentre l’olio lubrifica ingranaggi e cuscinetti e raffredda direttamente gli avvolgimenti o il rotore. Il calore può essere scambiato tra olio, liquido di raffreddamento, refrigerante e il sistema termico più ampio del veicolo.

Un fluido condiviso può eliminare componenti, ma introduce requisiti di compatibilità. Il lubrificante deve garantire il contatto tra gli ingranaggi, la durata dei cuscinetti, il funzionamento della pompa, l’isolamento elettrico, la compatibilità con rame e polimeri, il controllo dell’aerazione e una viscosità prevedibile nell’intero intervallo di temperatura. Le particelle metalliche di usura non devono raggiungere distanze di isolamento elettrico sensibili.

I sistemi a carter secco usano una pompa per recuperare l’olio e portarlo dove serve, invece di lasciare gli ingranaggi rotanti profondamente immersi. Ciò può ridurre le perdite per sbattimento e migliorare il controllo del raffreddamento, ma la potenza della pompa, la filtrazione, le valvole e la gestione dei guasti entrano a far parte dell’efficienza e della durata dell’unità di propulsione.

Cuscinetti, alberi e correnti elettriche

I cuscinetti del motore sostengono l’elevata velocità del rotore e mantengono un traferro ridotto, mentre quelli del riduttore e del differenziale sopportano le forze di separazione degli ingranaggi e i carichi delle ruote. L’architettura determina quali carichi condividono un albero o un carter. Dilatazione termica, rigidezza del carter, precarico, lubrificazione e allineamento di fabbricazione influenzano attrito, rumore e durata.

La commutazione dell’inverter può creare tensione di modo comune tra rotore e statore. Se la tensione dell’albero si scarica attraverso un cuscinetto, archi elettrici ripetuti possono danneggiare piste e lubrificante. Gli ingegneri gestiscono questo rischio con spazzole di messa a terra, percorsi conduttivi, cuscinetti isolati o ibridi, filtraggio di modo comune, progettazione degli avvolgimenti e controllo dell’inverter.

Le tenute devono trattenere il lubrificante ed escludere i contaminanti senza generare resistenza eccessiva. Una tenuta che funziona bene a bassa velocità può produrre calore ad alto regime del motore; variazioni di pressione e olio aerato complicano ulteriormente il compito.

Rumore e vibrazioni si progettano a livello di sistema

Le forze elettromagnetiche del motore, la commutazione dell’inverter, l’eccitazione degli ingranamenti, le frequenze dei cuscinetti, le pompe dell’olio e le risonanze del carter occupano parti diverse ma interagenti dello spettro udibile. Un motore più silenzioso può mettere in evidenza un fischio degli ingranaggi prima mascherato.

Gli ingranaggi elicoidali possono ridurre l’innesto brusco dei denti, ma generano carico assiale. Microgeometria dei denti, finitura superficiale, supporto dei cuscinetti, segmentazione del rotore, strategia di commutazione, nervature del carter, supporti e lubrificante influenzano tutti il suono che raggiunge l’abitacolo.

L’integrazione può migliorare rumore e vibrazioni dando agli ingegneri il controllo dell’intera struttura. Può anche accoppiare più fortemente le sorgenti attraverso un carter comune. Le simulazioni e le prove al dinamometro richiedono quindi modelli elettromagnetici, strutturali, acustici e di controllo, anziché obiettivi isolati per i singoli componenti.

Efficienza e rischio dell’ottimizzazione dei componenti

Il motore più efficiente non fa automaticamente parte dell’unità di propulsione più efficiente. Una geometria del motore che richiede un rapporto più elevato può aumentare le perdite degli ingranaggi o dei cuscinetti. Una frequenza di commutazione che riduce le armoniche del motore può aumentare le perdite dell’inverter. Un olio più viscoso può proteggere gli ingranaggi sotto carico e contemporaneamente aumentare le perdite per sbattimento a freddo.

L’ottimizzazione del sistema valuta le perdite dalla batteria alle ruote lungo il ciclo di utilizzo previsto. Le perdite pertinenti comprendono:

conduzione e commutazione dell’inverter;
perdite elettromagnetiche di statore e rotore;
ingranaggi, cuscinetti, tenute e sbattimento dell’olio;
pompe dell’olio e del liquido di raffreddamento;
elettronica di controllo e attuatori;
disconnessioni dell’assale o blocchi di parcheggio quando sono inseriti o in rotazione.

Per questo i fornitori presentano sempre più spesso motore, inverter, trasmissione, raffreddamento e software come un unico prodotto calibrato.

Durata, sicurezza e manutenzione

Un’unità integrata deve resistere a inversioni di coppia, urti contro i cordoli trasmessi dagli alberi, contaminazione stradale, esposizione a liquido di raffreddamento e olio, vibrazioni, cicli termici, sovravelocità e guasti dell’alta tensione. Blocchi di parcheggio e frizioni di disconnessione aggiungono condizioni di carico specifiche.

Un minor numero di collegamenti esterni può migliorare l’affidabilità. Un carter condiviso può anche rendere più costosa la riparazione di un guasto locale se la strategia di assistenza prevede la sostituzione dell’intero assieme. Costruzione interna modulare, copertura diagnostica, predisposizioni per la manutenzione dei fluidi, elettronica di potenza sostituibile e programmi di rigenerazione determinano se l’integrazione fisica diventa anche integrazione della manutenzione.

La sicurezza in caso d’urto deve impedire la rottura del carter, la fuoriuscita di fluidi, l’esposizione dell’alta tensione e una coppia incontrollata. Lo stato sicuro dell’inverter e la tensione generata ad alta velocità da un motore a magneti permanenti restano rilevanti anche dopo la disattivazione della coppia.

Che cosa dovrebbero dichiarare le specifiche

Una specifica utile dell’unità di propulsione identifica i componenti inclusi e il confine di misura. Dovrebbe indicare tipo di motore, tecnologia dell’inverter, tensione CC, rapporto di riduzione, coppia del motore e in uscita, potenza di picco e continua, velocità massima del motore, metodo di raffreddamento, strategia di lubrificazione, massa totale e se l’efficienza include inverter e riduttore.

Senza questo confine, i dati di densità di potenza ed efficienza di fornitori diversi non possono essere confrontati equamente.

Proseguire nella serie sui motori

Torna a Electric Motors and Drive Units oppure consulta i capitoli correlati su traction inverter, motor cooling e reduction gears and transmissions.