Miért nincs sebességváltó az elektromos autókban?

Korábban már megírtuk, hogy az autópálya tempó nincs túl jó hatással egy villanyautó fogyasztására. Ennek kapcsán sokakban merült fel a kérdés, hogy miért nem építenek be akár csak 2-3 fokozattal rendelkező sebességváltót a villanymotor mellé. A következő cikk erre a kérdésre igyekszik kielégítő választ adni. Körüljárjuk, hogy miért szerves része egy belsőégésű motornak a tengelykapcsoló (kuplung) és a sebességváltó, legyen az automata vagy kézi. Megnézzük azt is, hogy milyen fajta villanymotorok vannak és miért lehet elhagyni mellőlük a sebességváltót.

Motor – váltó két jó barát

A megértéshez kicsit be kell néznünk újra az olajos motortérbe. A BÉM (belsőégésű motor) egy viszonylag szűk határok között működő berendezés. Átlagos személyautókban 1000 és 7000 rpm (fordulat per perc) között üzemelnek. Az alapjárati fordulatszám, ami alatt már saját működésüket sem képesek fenntartani, 500 rpm körül alakul. Egy sportosabb modell elmehet akár 10000 rpm-ig is, viszont az alsó határ ott is adott. Lényegében ezres fordulatszám alatt képtelen érdemi nyomatékot leadni a BÉM. Önindítóra is azért van szükség, hogy külső erőforrásként segítsen elérni az alsó fordulatszám tartományt. Működés közben tehát nem szerencsés, ha az alapjárati fordulatszám alá csökken a főtengely sebessége. Az autó kereke pedig általában 0 és 2500 rpm közötti tartományban forog.

Ustroystvo-dvigatelya-vnutrennego-sgoraniya1_vodi.su
Egy belsőégésű motor bonyolultsága. Forrás: Ford

A BÉM alapvetően egyszerű szerkezet. Viszont a felhasználók igényei, a megbízható működés és a környezetvédelmi előírások miatt annyira bonyolulttá vált, hogy gyártásához a precíziós megmunkáló berendezések széles tárháza szükségeltetik. Olyan csapágyból, amiből a villanymotorba elegendő 2 db, egy BÉM-hoz legalább 20-30 db-ra van szükség és akkor még nem is beszéltünk a kipufogógáz kezelés kémiai laboratóriumot megszégyenítő összetettségéről. A Katalizátor ráadásul platinát tartalmaz, nem is keveset.

Ahhoz, hogy a fentebb említett két fordulatszám tartományt össze tudjuk hozni, fizikailag le kell választani a motor tengelyét a kerekektől, amikor az autó álló helyzetben van (vagy nagyon kis sebességgel halad). Erre szolgál a tengelykapcsoló, közismertebb nevén a kuplung. Az automata váltóban a leválasztást a hidraulikus nyomatékváltó, ismertebb nevén a „citrom” végzi el. Mindkét szerkezet működése közben a hajtó és a hajtott tengely fordulatszáma között különbség van, de az átfolyó energia egy részét hővé alakítja. A BÉM a bűvös ezres fordulat fölött maradhat akkor is, amikor a kerekek még éppen csak elindultak vagy álló helyzetben vannak. Amikor a kocsi már felgyorsult a megfelelő sebességre, akkor tengelykapcsoló összezár (a citromban is), csak a sebességváltások idejére oldódik fel újra.

manual-transmission-assembly_carid.com
Manuális sebességváltó belső felépítése. Forrás: carid.com

A hagyományos autók sebességváltói 3 és 9 fokozat közöttiek, évjárattól függően. Manapság a kézi váltók esetében elterjedt a 6 fokozat, automata váltóknál pedig akár 9-ig is nőhet ez a szám, főleg a prémium kategóriában. Minél több a fokozat, annál közelebb kerülhet a BÉM az optimális működési tartományhoz bármilyen sebességgel halad a jármű. Ha nem lennének a sebességváltóban fokozatok, akkor egyrészt nagyon sokat kellene csúsztatni a kuplungot, másrészt nagyon alacsony lenne az autó végsebessége. Ezt a tesztet mindenki elvégezheti otthon, ha van a közelében egy kézi váltós autó. Tegye be harmadikba, menjen néhány kilométert úgy, hogy nem nyúl a váltókarhoz. Hamar rájön miről beszélek. A sebességváltó tehát nem csinál mást, mint hogy a motor működési tartományát hozzáigazítja a kerék fordulatszám tartományához.

EZT OLVASTAD MÁR?  Miért fogyaszt olyan sokat az autópályán az elektromos autó?

Ha a váltók tervezésénél csak a fordulatszámot vesszük alapul, hamar rájöhetünk, hogy nagyon nehezen vezethető autót kapunk, mert a BÉM nyomatéka egyáltalán nem egyforma a teljes fordulatszám tartományban. Az alsó és a felső tartományokban döglött a motor, tehát a gyakorlatban az elméletinél is szűkebb tartományban lehet kihasználni a BÉM nyújtotta kereteket. Elinduláskor a fő követelmény, hogy könnyen induljon a kocsi, közepes sebességnél legyen ereje, de ne kelljen 10 kilométer per óránként váltogatni. Nagy sebességnél pedig már nem számít a rugalmasság, csak az egyenletes haladáshoz szükséges erő jelenléte.

Egy sebességváltó, legyen az automata vagy kézi kapcsolású, szintén eléggé bonyolult szerkezet. Több tengelyből és 6-8 fogaskerékpárból (automataváltónál bolygóműből) tevődik össze, ezek mindegyike 2-3% veszteséget okoz.

Ezzel szemben a villanymotor

A villanymotornak (vagy ahogy a szakmában emlegetik, villamos gépeknek) több típusa létezik. Ezeket szokás csoportosítani, csak említés szinten a legfontosabbak:

    • Egyenáramú
      • Állandó mágneses
      • Soros gerjesztésű
      • Párhuzamos gerjesztésű
      • BLDC (brushless DC, tehát kefenélküli)
    • Váltakozó áramú
      • Szinkron
      • Aszinkron
    • Univerzális

Természetesen létezik másféle csoportosítás és ezek között a csoportok között is van átfedés. Csak néhány mondat a főbb elemekről. Az egyenáramú motor legfontosabb tulajdonsága, hogy közvetlenül egyenáramról, tehát akár akkumulátorról is működtethető. A váltakozó áramúhoz a megfelelő fázisszámú és frekvenciájú villamos energia szükséges. Az univerzális mindkét fajtáról képes működni. Minden villanymotor tartalmaz álló- és forgórészt. Mindkét résznek rendelkeznie kell valamilyen mágneses térrel, amiből az egyik előállítható állandó mágnesek segítségével, olyankor lesz a motor állandó mágneses. Ha mindkét részben elektromágnes van, akkor gerjesztett a motor. A forgó mozgás úgy jön létre, hogy a motor egyik részében forgó (vagy pulzáló) mágneses teret állítunk elő, a másik mágneses tér a forgó résszel együtt pedig igyekszik követni azt.

Villanymotor_gnomio.com
Egy átlagos villanymotor metszeti ábrázolása. Forrás: gnomio.com

A váltakozó áramú motorok általában három fázisúak. A három fázisfeszültség segítségével előállítható a tökéletes forgó mágneses tér, amivel a forgó rész vagy szinkronban forog – ez a szinkron motor – vagy a szinkron fordulattól eltérő fordulatszámon – tehát aszinkron motor. Az állandó mágneses vagy rövidre zárt tekercses forgórészű motorok kopó alkatrészt (a csapágyazáson kívül) nem tartalmaznak.

Az akkumulátoros autókba, ahol alapvetően rendelkezésre áll az akkumulátorból kijövő egyenáram, adná magát, hogy egyenáramú motort tegyünk. A egyenáramú motorok szabályzásának bonyolultsága, a váltakozó áramú motorok jobb karakterisztikája és a kopó alkatrész hiánya viszont az utóbbiak felé terelte a fejlesztőket. Egy két egyedi építéstől eltekintve a villanyautókban kizárólag szinkron és aszinkron motorokat fogunk találni. Mindkét villamos gép képes motor és generátor üzemben is működni, ez az alapja a regeneratív fékezésnek. Motor üzemben elektromos áram segítségével forgó mozgást készítünk. Megfordítva viszont a forgó mozgásból villamos energia keletkezik, amit megfelelő vezérlő elektronika segítségével vissza kell tölteni az akkumulátorba.

EZT OLVASTAD MÁR?  130 elektromos autóval bővült az állami autóflotta

Egy rövidre zárt forgórészű aszinkron vagy a gerjesztett szinkron motor gyártásához nincs szükség semmilyen ritka földfémre, mágneses anyagokra (pl neodímiumra). Egyszerű és nagy mennyiségben rendelkezésre álló, újrahasznosítható réz, acél vagy alumínium kell csak a legyártásához!

A villanymotor nyomatéka már nulla fordulattól, azaz álló helyzetből maximális, ha nincs bekapcsolva a kipörgésgátló, lazán elforgatja a kerekeket. Nincs szükség külső erőforrásra a beindításához, nincs alapjárat, nincs nagy veszteség kis fordulaton sem. Cserébe képes hihetetlenül magas, F1-es motorokat megszégyenítő fordulatszámra is! A felső fordulatszámhatárt lényegében a forgó rész átmérője és szilárdsága adja meg. Egy keskeny forgórészű villanymotor szinte korlátlanul forgatható. Magas fordulaton csökken a nyomaték és picit csökken a hatásfok is, de mindkét érték bőven az elfogadható tartományon belül marad és a folyamatos fejlesztés eredményeképpen egyre jobbak ezek az értékek.

A villanymotornál tehát kuplungra semmi szükség, mert nem történik semmi, ha a tengelye megáll az autó kerekével együtt. A széles fordulatszám tartomány miatt pedig váltóra sincs szükség, mert egy egyszerű fogaskerék áttétel (ami egyben a differenciálmű is lehet) elegendő a kerék és a motor tengelyének közös nevezőre hozásához. A nagy sebességnél fellépő nyomaték és hatásfokvesztés miatt elméletileg jobb lenne, ha egy másik áttétellel visszavennénk a fordulatszámot, a gyakorlatban azonban közel akkora veszteség keletkezne azon a fogaskerékpáron, amennyivel nőne a motor hatásfoka. Tehát a semmiért szerelnénk be plusz 20-30 kg tömeget az amúgy sem könnyű villanyautóba. Felesleges! Látva egy több fokozatú sebességváltó bonyolultságát, végleg elmehet tőle a kedvünk, hogy ilyesmit tartsunk a kedvenc járgányunk motorházteteje alatt.

Nissan_Leaf_motor_blogs
A Nissan Leaf motorja, hajtása és a motorvezérlő elektronika. Forrás: Nissan

A villanyautóban természetesen jelentősebb helyet foglal a motorvezérlő elektronika. Sokkal nagyobb áramokat kell kontrollálnia, de nem feltétlenül bonyolultabb a hagyományos autóénál. Az elektronika azonban megint csak szinte teljes egészében újrahasznosítható, rézből alumíniumból és szilíciumból áll.

A villanymotor működési tartománya nagyon egyszerűen hozzáilleszthető a járművek kerekének forgásához. Képes nagyságrendileg ugyanabban a tartományban működni és a nyomatékleadása is megfelelően egyenletes. A felhasználó természetesnek fogja érezni az autó viselkedését minden sebességtartományban. A pedállal csak be kell állítani a kívánt gyorsulás mértékét és a motorvezérló elektronika továbbítja a motor felé a megfelelő nagyságú áramot. A nagy sebességnél tapasztalt fogyasztásnövekedést pedig nem a motor hatékonyságának csökkenése, hanem a légellenállás rohamos növekedése okozza!

Elektromos autót használsz?

Magyar Péter

Végzettségem szerint villamosmérnök és közgazdász vagyok. 10-15 éve olvasok autós magazinokat. Azóta várom az elektromos autók elterjedését de még ma is hatalmas az ellenállás a műfajjal szemben. Írásaimmal szeretném érthetővé tenni az elektromos járművekkel kapcsolatos fogalmakat, mértékegységeket és szeretnék segítséget nyújtani abban, hogy milyen szempontok szerint érdemes közelíteni a villanyautózás felé.