Geïntegreerde elektrische aandrijfeenheden
Een geïntegreerde elektrische aandrijfeenheid brengt meerdere aandrijffuncties samen in één geheel. Minimaal combineert zij een tractiemotor met een reductietandwieloverbrenging; een sterk geïntegreerde e-as kan ook de omvormer, het differentieel, de parkeerblokkering, de smering, pompen, koelkanalen, sensoren en regelelektronica omvatten.
Wat integratie betekent
De termen e-as, elektrische aandrijfeenheid, elektrische aandrijfmodule en geïntegreerde aandrijfeenheid hebben geen gestandaardiseerde productgrenzen. De ene leverancier kan een motor-reductiekastcombinatie een e-as noemen, terwijl een andere diezelfde term alleen gebruikt wanneer omvormer en differentieel zijn inbegrepen.
De functionele keten blijft hetzelfde:
- hoogspanningsgelijkstroom bereikt de omvormer;
- geregelde fasestroom wekt motorkoppel op;
- reductietandwielen zetten motortoerental om in uitgaand koppel;
- een differentieel of afzonderlijke tandwieltrajecten verdelen het koppel over de wielen;
- lagers, smering, koeling, sensoren en software houden de eenheid binnen de bedrijfsgrenzen.
Integratie verandert waar deze grenzen zich fysiek bevinden. Zij neemt de onderliggende functies niet weg.
Voordelen voor verpakking en elektrische opbouw
Montage van de omvormer dicht bij de motor verkort de wisselstroomverbindingen voor hoge stroom. Korte stroomrails of interne geleiders kunnen kabelmassa, weerstand, inductantie, elektromagnetische emissies, stekkers en montagestappen verminderen. Gedeelde behuizingen en dragende wanden kunnen het benodigde volume beperken en dubbele beugels overbodig maken.
BMW's aandrijving van de vijfde generatie combineert motor, vermogenselektronica en transmissie in één behuizing. Bosch beschrijft een eAxle die dezelfde drie hoofdfuncties combineert, terwijl het modulaire platform van ZF ook software en, waar nodig, een omzetter als bouwstenen op systeemniveau behandelt.
Een compacte inbouw kan ruimte vrijmaken voor accucellen, ophangingsgeometrie, botsstructuur, interieur of bagage. Coaxiale configuraties lijnen de motoras, tandwielen, het differentieel en de steekassen uit, terwijl configuraties met parallelle assen de motor verplaatsen om aan te sluiten op de ashoogte en de beschikbare ruimte. Geen van beide is inherent efficiënter; tandwielingrepen, lagerbelastingen, overbrengingsverhouding, koeling en inbouwbeperkingen bepalen het resultaat.
Gedeelde koeling en smering
Integratie maakt het mogelijk de warmtestromen rond het volledige systeem te ontwerpen. Een water-glycolcircuit kan de omvormer en statorbehuizing koelen, terwijl olie tandwielen en lagers smeert en de wikkelingen of rotor rechtstreeks koelt. Warmte kan worden uitgewisseld tussen olie, koelvloeistof, koudemiddel en het bredere thermische systeem van het voertuig.
Een gedeelde vloeistof kan componenten besparen, maar stelt eisen aan de compatibiliteit. Het smeermiddel moet tandcontact, lagerlevensduur, pompwerking, elektrische isolatie, compatibiliteit met koper en polymeren, beheersing van luchtinslag en een voorspelbare viscositeit over het temperatuurbereik ondersteunen. Metalen slijtagedeeltjes mogen gevoelige elektrische isolatieafstanden niet bereiken.
Droogcartersystemen gebruiken een pomp om olie terug te winnen en naar de benodigde plaatsen te brengen, in plaats van draaiende tandwielen diep onder te dompelen. Dit kan klotsverliezen verminderen en de koelregeling verbeteren, maar pompvermogen, filtratie, kleppen en foutafhandeling worden dan onderdeel van het rendement en de duurzaamheid van de aandrijfeenheid.
Lagers, assen en elektrische stromen
Motorlagers dragen het hoge rotortoerental en handhaven een nauwe luchtspleet, terwijl lagers van de reductiekast en het differentieel de scheidingskrachten van de vertanding en wielbelastingen opnemen. De architectuur bepaalt welke belastingen een as of behuizing delen. Thermische uitzetting, stijfheid van de behuizing, voorspanning, smering en uitlijning tijdens de productie beïnvloeden wrijving, geluid en levensduur.
Het schakelen van de omvormer kan een common-mode-spanning tussen rotor en stator veroorzaken. Als de asspanning zich via een lager ontlaadt, kunnen herhaalde elektrische vonkoverslagen de loopbanen en het smeermiddel beschadigen. Ingenieurs gebruiken aardingsborstels, geleidende paden, geïsoleerde of hybride lagers, common-mode-filtering, wikkelingsontwerp en omvormerregeling om dit risico te beheersen.
Afdichtingen moeten het smeermiddel binnen en verontreiniging buiten houden zonder overmatige weerstand te veroorzaken. Een afdichting die bij lage snelheid goed presteert, kan bij een hoog motortoerental warmte genereren; drukveranderingen en beluchte olie maken de taak nog ingewikkelder.
NVH wordt op systeemniveau ontworpen
Elektromagnetische motorkrachten, schakelen van de omvormer, excitatie door tandwielingreep, lagerfrequenties, oliepompen en resonanties van de behuizing bevinden zich in verschillende maar onderling reagerende delen van het hoorbare spectrum. Een stillere motor kan tandwieljank hoorbaar maken die eerder werd gemaskeerd.
Schuine vertandingen kunnen een abrupte tandingreep verminderen, maar veroorzaken axiale belasting. De microgeometrie van de tanden, oppervlakteafwerking, lagerondersteuning, rotorsegmentatie, schakelstrategie, ribben in de behuizing, bevestigingen en het smeermiddel beïnvloeden allemaal het geluid dat de cabine bereikt.
Integratie kan NVH verbeteren doordat ingenieurs de volledige constructie kunnen beheersen. Via een gedeelde behuizing kunnen bronnen echter ook sterker worden gekoppeld. Simulaties en dynamometertests vereisen daarom elektromagnetische, structurele, akoestische en regelmodellen in plaats van geïsoleerde componentdoelen.
Rendement en het gevaar van componentoptimalisatie
De efficiëntste motor maakt niet automatisch deel uit van de efficiëntste aandrijfeenheid. Een motorgeometrie die een grotere overbrengingsverhouding vereist, kan tandwiel- of lagerverliezen verhogen. Een schakelfrequentie die motorharmonischen vermindert, kan de omvormerverliezen vergroten. Dikkere olie kan tandwielen onder belasting beschermen en tegelijk de koude klotsverliezen verhogen.
Systeemoptimalisatie beoordeelt het verlies van accu tot wiel over de verwachte gebruikscyclus. Relevante verliezen omvatten:
- geleiding en schakelen in de omvormer;
- elektromagnetische verliezen in stator en rotor;
- tandwielen, lagers, afdichtingen en olieklotsing;
- olie- en koelvloeistofpompen;
- regelelektronica en actuatoren;
- asontkoppelingen of parkeerblokkeringen wanneer ze zijn ingeschakeld of meedraaien.
Daarom bieden leveranciers motor, omvormer, transmissie, koeling en software steeds vaker als één gekalibreerd product aan.
Duurzaamheid, veiligheid en onderhoud
Een geïntegreerde eenheid moet bestand zijn tegen koppelomkeringen, stoeprandstoten die via assen worden overgedragen, vervuiling vanaf de weg, blootstelling aan koelvloeistof en olie, trillingen, thermische cycli, overtoeren en hoogspanningsfouten. Parkeerblokkeringen en ontkoppelingskoppelingen voegen eigen belastingssituaties toe.
Minder externe verbindingen kunnen de betrouwbaarheid verbeteren. Een gedeelde behuizing kan een plaatselijke storing ook duurder maken om te repareren als de onderhoudsstrategie het complete geheel vervangt. Een modulaire interne constructie, diagnostische dekking, voorzieningen voor vloeistofonderhoud, vervangbare vermogenselektronica en revisieplannen bepalen of fysieke integratie ook onderhoudsintegratie wordt.
De botsveiligheid moet breuk van de behuizing, vloeistoflekkage, blootliggende hoogspanning en ongecontroleerd koppel voorkomen. De veilige toestand van de omvormer en de spanning die een permanentmagneetmotor bij toerental opwekt, blijven relevant nadat het koppel is uitgeschakeld.
Wat specificaties moeten vermelden
Een bruikbare specificatie van de aandrijfeenheid benoemt de inbegrepen componenten en de meetgrens. Zij moet het motortype, de omvormertechnologie, gelijkspanning, overbrengingsverhouding, motor- en uitgaand koppel, piek- en continuvermogen, maximaal motortoerental, koelmethode, smeerstrategie, totale massa en de vraag of het rendement de omvormer en reductiekast omvat vermelden.
Zonder die grens kunnen cijfers voor vermogensdichtheid en rendement van verschillende leveranciers niet eerlijk worden vergeleken.
Ga verder door de motorenserie
Ga terug naar Electric Motors and Drive Units of bekijk de verwante hoofdstukken over traction inverter, motor cooling en reduction gears and transmissions.