Minden, amit az elektromotorokról tudnod kell

A hagyományos meghajtású autóknál ma már nagyjából mindenki tudja, hogy mi a különbség a benzin és a dízel vagy a kétütemű és a négyütemű motorok között, a kockák pedig azt is tudják, hogy mitől más egy Wankel-motor, mint a többi. A jövőben azonban erre a tudásra egyre ritkábban lesz szükségünk, hiszen a jövő közlekedési eszközeiben nem ilyen, hanem elektromos motorok fogják biztosítani a meghajtást.

Bár az elektromotorok előnye a belsőégésű motorral szemben a rendkívül egyszerű felépítés, ez közel sem jelenti azt, hogy minden elektromos motor egyforma. Az elmúlt másfél évszázadban a technológia fejlődése többféle villanymotor fajta kifejlesztését tette lehetővé, ebben a cikkben pedig ezek közül a legfontosabb kategóriákat tekintjük át, sorba véve a különböző fajták előnyeit és hátrányait is.

A villanymotorok működési elve

A villanymotorok – mint a nevében is benne van – villamosság, azaz áram segítségével üzemeltethetők. Fizika órán tanultuk, hogy az árammal átjárt vezető körül mágneses tér keletkezik, ennek gyakorlati alkalmazására azonban sokáig nem került sor, csak a tudósok ismerték a villamos áram ezen tulajdonságát. Azt is tudjuk, hogy a mágnesek ellentétes pólusai vonzzák, azonos pólusai taszítják egymást. A villanymotoroknál ezt a két jelenséget használják ki egy kis trükkel megspékelve.

A mai villanymotorok elődjét a magyar Jedlik Ányos 1825-ben készítette el, amelyet ő villámdelejes forgonynak nevezett el. A működés alapja természetesen a villamos áram mágneses hatása, valamint az azonos pólusú mágnesség révén létrejövő taszító erő. A neves természettudós, feltaláló alapötlete az volt, hogy ha árammal átjárt tekercs (állórész – stator) által gerjesztett mágneses térbe egy másik árammal átjárt tekercset helyez, amelynek mágneses polaritása azonos, mint az első tekercsé, akkor azokra erő hat. Ha a második tekercset egy tengelyre helyezi, akkor a létrejövő erő forgatónyomatékot képez és a könnyen forgó tengelyen a tekercs elfordul (forgórész – rotor). Igen ám, de amint a mágneses tér irányába beáll az elektromágnesként működő, árammal átjárt tekercs, már nem hatna rá a forgást segítő további erő, hiszen nagyjából az fog csak történni, mint amikor egy iránytű közelébe mágnest helyezünk: a tű a mágnes irányába fordul (északi a déli pólus felé). A trükk pedig itt jött: mi történik akkor, ha abban az esetben, amikor az árammal átjárt tekercs már a pólusainak megfelelő irányba fordult (az északi a külső tekercs által gerjesztett mágneses mező déli pólusa felé), egyszer csak megfordítjuk az áram irányát? A mágneses pólusok ez esetben felcserélődnek, és máris a korábban északi pólushoz fordult déli pólus hirtelen északi pólussá változik (a másik oldala hasonlóképp délire), ami újabb taszító erőt hoz létre, a tengely perdülete pedig segít abban, hogy ne visszafelé kezdjen forogni a tekercs. A villanymotorban lévő, a tekercs polaritását mechanikus érintkezők segítségével megváltoztató eszközt kommutátornak nevezik.

fotó: Iparművészeti Múzeum

A legelső villanymotor működését az alábbi videóban láthatjuk 11:58-tól, de érdemes lehet elölről megnézni a bemutatót, mert az alapoktól ismerteti a működési elvet a videó készítője.

A villanymotorok elve azóta sem változott, csupán annyi módosult, hogy némely esetben a villanymotornál nem két tekercset, csak egy tekercset és állandó mágnest használnak (vagy akár kevert módon).

A villanymotorok két fő típusa: DC és AC

Jedlik Ányos villanymotorja természetesen egyenárammal (DC – Direct Current) táplált volt, hiszen abban az időben még nem ismerték a váltakozó áramot (AC – Alternate Current), amely gyakorlatilag a villanymotor feltalálását követően a generátor létrehozásával vált elérhetővé (a természetben pl. galvánelemmel csak egyenáram hozható létre, a váltakozóáramot generátorok adják, azaz a váltakozó áramú motorok feltalálásának szükséges feltétele volt a DC villanymotorból, illetve dinamóból fejlesztett, a kommutátor elhagyásával létrehozott váltakozóáramú generátor megalkotása). Léteznek tehát egyenáramú és váltakozó áramú motorok is, attól függően, hogy a táplálásukat egyenárammal, vagy váltakozó árammal végezzük.

Egyenáramú (DC) motorok

A legegyszerűbb egyenáramú motor: a kefés DC motor

A DC villanymotorok esetében a fent látható módszer szerint szükség van arra, hogy a forgórész tekercsében folyó áram irányát rendszeresen megfordítsuk, erre az úgynevezett kommutátor, vagy osztott csúszógyűrű használható. Ennek feladata tehát, hogy a bejövő áramot a tekercs megfelelő vezetékére juttassa és forgás közben a megfelelő időben polaritást váltson. A kommutátor a legtöbb esetben rézből készül, amelyhez rugóval feszített ún. szénkefe csatlakozik, ez adja át a villamos áramot a forgórésznek (bizonyos esetekben bronz kefét alkalmaznak).

forrás: Wikipedia

Adja magát az ötlet, hogy mi van akkor, ha a fenti ábrával ellentétben nem sorosan kötjük össze a forgórész tekercselését az állórész tekercsével, hanem párhuzamosan. Az ilyen egyenáramú motorokat hívjuk párhuzamos gerjesztésű gépeknek, ahol a motoron belüli mágneses tér stabilabb, nem lüktet, mint a soros gerjesztés esetében (ahol a kommutátor miatt a gerjesztőtekercs árama is igen rövid időkre megszakad). Az ilyen motor tulajdonságait könnyebben befolyásolhatjuk a kapocsfeszültség változtatásával.
Arra is van mód, hogy a stator (állórész) tekercseit teljesen függetlenül lássuk el elektromos árammal, így ennek módosításával közvetlenül hathatunk a villanymotorban létrejövő mágneses térre (DC generátoroknál ez a bevett szokás, míg az öngerjesztő dinamóknál a fenti, párhuzamos gerjesztést alkalmazzák, soros gerjesztéssel pedig egy generátor állórésze önmagában sosem hozna létre mágnességet, így ilyen esetben állandó mágnessel segítenek).

Mivel a villanyautók akkumulátorai egyenáramot tárolnak, nyilvánvaló lenne, hogy a hajtást is egyenáramú motor biztosítsa. Az 1900-as évek első elektromotoros autó próbálkozásai valóban egyenáramú motort használtak, azonban ezek nyomatéka jóval elmarad a mai kor igényeitől, így ezeket a mai autókban nem lehetne gazdaságosan használni, ráadásul túl nagyok és nehezek is lennének.

Hagyományos DC motorokkal autókban (belsőégésűekben is) jobbára az ablaktörlők motorjainál vagy ablakmosó folyadék szivattyúinál találkozhatunk, de újabban ezek lehetnek módosított, kommutátor nélküli típusok is. Érdekesség, hogy az 1990-es években néhány kis sorozatban gyártott elektromos autót, például a Renault Clio és Renault Express elektromos változatát DC motor hajtotta, de DC motorok hajtanak sok villamost és elektromos mozdonyt is (ott a méret és a tömeg kevésbé probléma).

Kefe nélküli egyenáramú motor (BLDC)

Mint láttuk, a hagyományos egyenáramú motoroknál a kommutátor oldja meg a forgórész tekercsében folyó áram irányváltását. Az áramváltás szükséges a motor működéséhez, viszont a csúszógyűrűkhöz kontaktusként alkalmazott szénkefék folyamatosan kopnak, így az ilyen motorok némi gondozást igényelnek (bár egy jó szénkefe sok tízezer üzemóra alatt sem kopik el, a bronzkefés megoldás pedig még annál is tartósabb). Ami viszont tény, hogy a kommutátoros megoldás nem szereti a szennyeződést, a magas páratartalom sem kifejezetten jó neki, ráadásul az esetleges szikrázások miatt üzemeltetése veszélyesebb, működtetése hangosabb és még elektromágneses interferenciát is okozhat.

Adott volt tehát az igény egy olyan egyenáramú motor létrehozására, ahol valami más váltja ki az áramirány váltás feladatát, másképpen oldják meg a mágneses mező megfordítását. Ez lett a kefe nélküli egyenáramú motor, vagyis a BLDC (BrushLess Direct Current motor), ahol az áramirány váltást elektronikus vezérlés valósítja meg – emiatt hívják elektronikus kommutációjú egyenáramú motornak is (ECDC).

Ehhez persze az kellett, hogy ne a forgórész mágnesességének irányát változtassuk meg, hanem az állórészét. A BLDC motoroknál tehát a stator tekercseibe vezetett áramot vezéreljük, a forgórész ezeknél a motoroknál minden esetben állandómágnes.

Lapos kefe nélküli DC motor állórésze, a forgórész a középen látható üregbe kerül.
forrás: Wikipedia

Ennek előnye azon kívül, hogy nem szükséges a kopó alkatrésznek minősülő kommutátor használata – amely így jobb hatékonyságot eredményez -, hogy nem lesz elektromágneses interferencia (nincs szikrázás), jóval kisebb a karbantartási igénye, illetve mivel a forgórész nem gerjesztett tekercs, így az kevésbé melegszik, jobb lesz a motor hűthetősége is. Hátránya, hogy nagy nyomatékú motorhoz ritkaföldfémet tartalmazó mágnesre van szükség, ami megdrágítja a terméket.

A BLDC motoroknak elegendő a külső hűtés, így akár zárt kivitelben is készíthetők, megakadályozva ezzel a szennyeződés motorba jutását, emellett pedig mivel csak az állórészt kell tekerccsel gerjeszteni, a forgórész csupán állandómágnes, így készülhetnek akár lapos motorok is (lásd számítógépek tápegységeinek szellőztető ventilátorai). A nagy teljesítménnyel is készíthető BLDC motorok az autókban az ablaktörlőktől az ablakemelőkön át a légbefúvó ventilátorokig sok területen megtalálhatók, de a „drive by wire” megoldású vezérléseknél is ezt használják. Hétköznapi eszközeink közül ilyen működik az akkumulátoros (egyenáramú) barkácsgépekben, a számítógépek merevlemezeiben, a CD/DVD olvasókban, drónokban, sőt elektromos rollerekben is.

Váltakozó áramú (AC) motorok

Az egyenáramú motor praktikus ott, ahol egyenáramot használnak, viszont a háztartásokban és az iparban is váltakozóáram terjedt el, ezért komoly figyelmet kaptak a váltakozóáramú, azaz AC motorok is. A fejlesztések során egyértelművé vált, hogy az azonos teljesítményű DC és AC motorok között jelentős méret és tömegbeli eltérés van, méghozzá az AC motor javára. Egy nagy teljesítményű AC motor tehát kisebb méretű lehet, mint egy ugyanolyan teljesítményű DC motor.

A váltakozó áramú motoroknál működés szempontjából kétféle típust különböztethetünk meg: szinkron vagy aszinkron. A két mód között annyi a különbség, hogy míg a szinkronmotor normál működése során az energiaellátásához használt váltakozó áram frekvenciájához igazodik (azzal szinkronban van), az aszinkron motorok ehhez képest terheléskor minden esetben lemaradnak.
Ne gondoljuk azonban túl, mindkét esetben a mágneses tér adja a hajtóerőt, csak kicsit máshogyan jön ez létre, illetve kicsit máshogy kell vezérelni.

Váltakozó áramú aszinkron motor

Az aszinkron váltóáramú motor az ipar igáslova, igen elterjedt, amelyet egyszerű felépítésének köszönhet. Az állórész állhat egyfázisú vagy háromfázisú tekercselésből, utóbbi esetében a villamos hálózat három fázisát is direktben köthetjük rá. Mivel a háromfázisú hálózatban az egyes fázisok 120 fokkal eltolva követik egymást, az állórész tekercselésében így forgó mágneses tér jön létre. A forgórész lehet gerjesztett (csúszógyűrűs), de az egyszerűbb esetekben rövidre zárt tekercselést, vagy akár szimpla kalickát is használhatnak. A forgó mágneses tér hatására a forgórészben gerjesztett áram egy másik mágneses teret hoz létre, amely ellene dolgozik az állórész mágneses terének, ebből jön létre az erőhatás, majd a forgatónyomaték, de ennek forgása minden esetben lemarad a forgó mágneses térétől, azt bizonyos csúszással követi (ezt nevezik slipnek), ezért aszinkron működésű az ilyen motor.

Az aszinkron motor fordulatszáma növekvő terhelésre csökken.

Váltakozó áramú indukciós motor

Aszinkron AC motor metszete kalickás forgórésszel

A nem gerjesztett forgórészű aszinkron AC motorokat indukciós motoroknak is nevezik, hiszen ilyen esetben feszültség indukálódik a forgórész kalickáiban, vagy rövidre zárt tekercseiben. A kalicka készülhet lágyvasból, alumíniumból, vagy akár rézből is, utóbbinak nyilván magasabb lesz a hatásfoka.

Az indukciós motorok előnye, hogy ezeknél nem kell árammal ellátni a forgórészt, így csúszógyűrűre sincs szükség.

Váltakozó áramú gerjesztett aszinkron motor

A gerjesztett tekercselésű aszinkron motornak jóval nagyobb az indítási nyomatéka, mint az indukciós (nem gerjesztett, kalickás) motorénak. Ez könnyen belátható úgy, ha elképzeljük, hogy a forgó mágnes mező mekkora feszültséget, illetve áramot tud indukálni egy viszonylag egyszerű kalickás forgórészben és összevetjük azzal, hogy mekkora feszültséget tudunk adni egy háromfázisú tekercselésű forgórészre és annak mekkora mágneses tere lesz. Nyilvánvaló, hogy utóbbi esetben nagyobb mágneses térerő hozható létre, így az induló nyomaték is magasabb.

Az aszinkron AC motorok képesek generátoros üzemben is működni, így gond nélkül alkalmazhatók villanyautókban fékezési energia visszatáplálására is. Motoros üzemben pedig az egyre nagyobb terhelés egyre nagyobb nyomatékot biztosít, így az emelkedőn felhajtás is megoldható.

De hogyan kerül háromfázisú váltakozó áramú motor egy egyenáramot biztosító akkumulátorokkal felvértezett elektromos autóba? A megoldást a napelemes rendszereknél is alkalmazott inverterek adják (legalábbis működési módjuk tekintetében). Ez az eszköz teszi lehetővé, hogy az egyenfeszültségből akár három fázisú, 120 fokkal eltolt váltakozófeszültséget hozzunk létre. A teljesítmény elektronika utóbbi pár évtizedben történt drasztikus fejlődése, az IGBT tranzisztorok elterjedése, a méretek és tömegek csökkentése már elérhető közelségbe hozta az AC motorok használatát az autóiparnak is. Érdekes módon azonban nem az AC aszinkron motorok kerültek először a villanyautókba, pedig a jó indulási nyomaték és a könnyű teljesítmény-vezérlés az aszinkron AC motorok fő erényei, amelyek egy elektromos autónál is fontosak.

Ugyanakkor tagadhatatlan tény az is, hogy például az összkerékmeghajtású modellek esetében a kalickás aszinkron motorokat könnyebb leválasztani a hajtásról anélkül, hogy ehhez kuplungra lenne szükség és hogy a nem használt motor jelentős fékező hatást adna (az állandómágneses motorok táplálás nélkül, de forgás közben generátorként jelentős fékhatást eredményeznek, nem is célszerű az ilyen motoros autókat vontatni). Kalickás aszinkron motort szereltek például a korai Tesla Model S, a Mercedes-Benz B250e és a Toyota RAV4 EV modellekbe.

Az aszinkron AC motorok hátránya a nagy fordulatszámon jelentősen – a többi típushoz képest hirtelenebb módon – csökkenő nyomaték (autópályás sebességnél nem lesz olyan jó gyorsulás), valamint az alacsony fordulaton (városi közlekedés) az ideálisnál jóval gyengébb hatásfok (~60-75%, az ideális működési tartományban elérhető 90-92%-hoz képest). Viszont a hatásfok még magas fordulatszámon is jó (autópályás fogyasztás)!

Aszinkron motor hatásfok térképe

Az aszinkron AC motorokat persze már több villanyautó is használja, így ilyet alkalmaztak az Audi e-tronban és e-tron Sportbackben (de az e-tron GT-ben nem!), a GM EV1-ben, a Mercedes-Benz EQC-jében, a Tesla Model S és Model X típusokban, valamint az összkerékhajtású Tesla Model 3 első kerekeinek hajtásánál is.

Váltakozó áramú szinkron motor

Ahogyan már az aszinkron motor bevezetőjében írtuk, a szinkron motor onnan kapta a nevét, hogy itt a forgórész a tápláló váltakozó feszültség frekvenciáját követi, azzal (valamilyen szorzó szerint) szinkronban van, nem marad le tőle fordulatszámban, mint az aszinkron motor. Kitérhetünk itt arra, hogy ez a bizonyos szorzó hogyan számolható (n=60×f/p), hogy miként befolyásolják a tekercselés póluspárjai a fordulatszámot (az előbbi képletben a p, több póluspár alacsonyabb fordulatszámot, de nagyobb nyomatékot ad), de igazság szerint erre nincs szükségünk, elég annyit elfogadnunk, hogy a szinkronmotor egy működési mód, amely a motor felépítéséből adódik: a forgórész nem az indukciós elv miatt fordul el, mint az aszinkron motornál, hanem az igen nagy mágneses térerő miatt követi a forgó mágneses mezőt, azzal együtt halad. Természetesen a szinkronmotoroknak is több fajtáját érdemes megkülönböztetni.

Váltakozó áramú, egyenárammal gerjesztett szinkron motor

Az első és egyszerűbb szinkron AC motorok forgórészét egyenárammal, csúszógyűrűk segítségével táplálták, de már ebből is látszik, hogy bonyolultabb és drágább motorról van szó, mint egy kalickás aszinkron, vagy akár egy rövidre zárt tekercselésű aszinkron motor. Viszont a villamosáram termelésnél elsődleges helye van, hiszen itt igazán fontos a hálózattal való szinkron működés. Szintén komoly helye van (volt) az iparban, mivel fordulatszáma a terheléstől függetlenül bizonyos tartományon belül állandó, ugyanakkor beindítása korábban nem volt egyszerű (magától nem pörög fel, csak ha segédkalickás, vagy külső indítómotoros volt). A teljesítményelektronika fejlettségének köszönhetően ez már nem probléma, a feszültség és frekvencia vezérlésével jól menedzselhetők a szinkronmotorok is.

Az egyenárammal gerjesztett, kiálló pólusú szinkron motorokat nevezik WFSM motornak (Wounded Field Synchronous Motor), vagy ACIM motornak (AC Induction Motor) is.

A szinkronmotorok előnye a nagy fordulatszámon is elérhető jó nyomaték (autópályán is jó gyorsulás), illetve az, hogy az aszinkron motorokénál jobb hatékonyságúak. A hatékonyság viszont kisebb fordulatszámra korlátozódik, így magas fordulatszámon jelentősen romlik a hatásfok (autópályán magasabb fogyasztás az aszinkron motoros hajtáshoz képest).

A Renault Zoé esetében csúszógyűrűs, gerjesztett tekercsű forgórésszel ellátott szinkronmotort használnak, ez azonban nem valószínű, hogy túl sok villanyautóba kerül be a jövőben, inkább csak az olcsóbb modellek, vagy a haszongépjárművel használják majd, ahol nem szempont a nagy utazósebesség (hiszen nem túl jó a tömeg/teljesítmény arány, illetve nem mondható nagyon energiahatékonynak sem, főleg a nagy fordulatszámot igénylő nagy sebességnél).

Váltakozó áramú, állandó mágneses szinkron motor

A tekercselt forgórész helyett használhatnak nagy fluxusú szupermágneseket (pl. neodímium, vas és bór ötvözetét) is, ez esetben csúszógyűrűre sincs szükség, viszont a neodímium ritkaföldfém, amely jelentősen megemelheti a motor árát. Az ilyen állandó mágneses megoldás előnye a jobb hatásfok (nincs csúszógyűrű, nem kell a forgórészhez plusz áram sem), emellett kicsi a karbantartási igényük is, valamint kisebb méretűek lehetnek, mint a gerjesztett szinkronmotorok. Hátrányuk viszont, hogy a vezérlésüket csak az állórésszel lehet megoldani, hiszen a forgórész mágneses mezeje nem befolyásolható.

A mágnes helye lehet a forgórész külső felülete (SPM vagy SMPM – Surface Mounted Permanent Magnet, de hívják még kiálló pólusos motornak is), vagy lehet a forgórész belsejébe helyezett (IPM – Internal Permanent Magnet vagy IMPM – Interior Mounted Permanent Magnet).

Az SPM, vagyis a rotor külső felületére szerelt mágnesekkel készülő szinkron motorok könnyen gyárthatók, jóval kisebbek és könnyebbek azonos teljesítmény mellett, mint az aszinkron motorok (tömegük fele, harmada, méretük pedig harmadnál is kisebb lehet az aszinkron motorokénál), viszont nagy fordulatszámnál jelentősen csökken a nyomatékuk (a mágnesek miatt az állórész tekercseiben keletkező pólusfeszültség – Back EMS – ellentétesen hat a hajtásra, így gyengíti azt, minél nagyobb a fordulatszám, annál nagyobb az indukált feszültség is, így annál erősebb a nyomatékcsökkenés). De egyébként sem ideális ezeknek a motoroknak a nagy fordulatszámon üzemelés, hiszen a felhelyezett mágnesek akár le is röpülhetnek, végzetes kárt okozva ezzel a motorban.

A rotor pozíciójától független az indítónyomaték, de nagy teljesítményre a kiálló pólusos szinkronmotor a nyomatéklüktetés miatt nem annyira alkalmas.

Az ilyen motorok hatásfok tekintetében elég széles fordulatszám tartományban jól teljesítenek, még igen alacsony fordulatszámnál is 70%, vagy afeletti hatékonyság érhető el.

Állandómágnessel segített szinkron motor hatásfok térképe

Ezeket a motorokat főként ott alkalmazzák, ahol nehezen megoldható a karbantartás, ebből a szempontból az elektromos autókban is helyük lehetne, de nyomatéklüktetésük miatt nem jellemző az SPM motorok használata.

Az IPM esetében a rotoron belülre helyezik el a mágneseket, azokat az érintővel nem megegyezően, hanem kissé szögben, egymáshoz képest szimmetrikusan helyezik el.

balra: felületre szerelt mágnessel segített szinkronmotor (SPM), jobbra: rotorba szerelt mágnesű szinkronmotor (IPM)

Az így elhelyezett mágnesek nem csupán a forgórész saját mágneses terét hozzák létre, de a felszabdalt forgórészben a mágneses vezetőképesség, vagy ennek inverze a mágneses ellenállás (reluktancia) is helyenként változik, így a reluktancia nyomaték már nem lesz szimmetrikus, azaz a motor össznyomatékában már jelentősebb szerep jut a reluktancia nyomatéknak is. Ezen ok miatt az IPM motoroknál kisebb, kevesebb mágnes is elegendő lehet, illetve nem szükséges a drága neodímium mágnest használni, elégséges az AlNiCo ötvözet alkalmazása.

Az IPM előnye, hogy csökken a nagy fordulatszámnál az SPM-nél erős Back EMS ellenelektromos hatás, így nagy fordulatszámon is jó teljesítmény érhető el vele, nem kell aggódni a mágnesek lerepülésétől (hiszen azok a rotor belsejében vannak), a hagyományos szinkronmotorokhoz képest jelentősen jobb a hatásfokuk (kisebb a veszteségük, nagyobb a hatékonyságuk), ez ráadásul még igen alacsony fordulatszámnál is megvan, azaz nagyon jó városi fogyasztás érhető el, még dugókban araszolva is. Az üzemi fordulatszám felett mezőgyengítéses módban még magas fordulatszámnál is jó nyomaték marad, ezért alacsonyabb teljesítményű motor is elég lehet, mint egy hagyományos szinkronmotornál. Hátránya, hogy komplexebb vezérlést igényel, valamint az, hogy nagy nyomatékú motorokhoz elengedhetetlen a ritkaföldfémet tartalmazó szupermágnesek (pl. neodímium) használata, így ezek a motorok nem tartoznak az olcsó megoldások közé.

Ilyen motor elsőként a Toyota Priusban jelent meg, de villanyautókban széles körben alkalmaznak állandó mágneses szinkron motort, így Audi e-tron GT-ben, a BMW i3-ban, a Citroënekben és DS-ekben, a Chevrolet Boltban, az új Fiat 500e-ben, a Jaguar I-pace-ben, a Hyundai és a Kia elektromos autóiban és hibridjeiben, a Ford Focus Electricben, a Volkswagen e-UP!-ban és e-Golfban, a Mitsubishi i-Miev-ben (és természetesen a Peugeot iOn és Citroën C-Zero testvérmodelljeiben), a Nissan Leafben, az Opel Corsa-e-ben, a Peugeot e-208-ban, a Porsche Taycanban és a VW ID.3-ban is.

Szinkron reluktancia motor (SynRM)

Abban az esetben, ha a szinkronmotor egyáltalán nem tartalmaz gerjesztett tekercset, de a reluktancia nyomatékot is igen komoly mértékben használja ki, szinkron reluktancia motort, vagy SynRM-et (Synchronous Reluctance Motor) kapunk. Ezek forgórésze különleges kialakítású, hiszen ez szükséges a mágneses reluktancia befolyásolásához. Léteznek levegős, de alumíniummal kiöntött forgórészű reluktancia motorok is. Szinkron reluktancia motor van például a Tesla Model 3-asban hátul.

ABB reluktancia motor

A kapcsolóüzemű (vagy kapcsolt) reluktancia motor (SRM – Switched Reluctance Motor) nyomatéklüktetése alacsony fordulatszámnál elég jelentős, ezért vontatómotorként egyáltalán nem használható, így ilyet az autóiparban inkább csak a fékhidraulikát működtető szivattyúnál találunk. Az SRM jó dinamikai tulajdonságai teszik lehetővé, hogy szükség esetén gyorsan növekedhessen a fékfolyadék nyomása, amely kulcsfontosságú feltétel a gyors reagálású fék megvalósításához.
Az alacsony fordulaton történő nyomatéklüktetés problémát oldja meg a szinkron reluktancia motor, ahol ez a hatás minimális.

Az ABB által kifejlesztett szinkron reluktancia motor nagyon nagy hatékonyságú, a hagyományos indukciós motorénál sokkal jobb hatásfokkal rendelkezik, ráadásul nem igényel plusz áramot a forgórész. Méretét tekintve is kisebb lehet, mint a szinkron indukciós motor, vagy másképp fogalmazva: azonos méret esetén nagyobb nyomaték érhető el az Syn RM-ből és még a hatásfok is jobb lesz, mint a gerjesztett forgórészű szinkron motornál.

Jó hatásfoka egy jól meghatározott területen jelentkezik és kissé szűkebb, mint a kiálló pólusú szinkron motornak. Kis fordulaton az alacsony nyomatéka nem túl szerencsés.

A SynRM motor hatásfok térképe

Állandómágnessel segített szinkron reluktancia motor (PMa SynRM, IPM SynRM)

A szinkron reluktancia motorok esetében is van lehetőség arra, hogy kicsit felturbózzuk a képességeit állandómágnessel, ez esetben állandómágnessel segített szinkron reluktancia motort kapunk (Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor), de tekintettel arra, hogy a mágnes ez esetben a forgórész belsejében helyezkedik el, helyes az IPM SynRM (Internal Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor) elnevezés is.

Állandómágnessel segített szinkron reluktancia motor tehát a SynRM továbbfejlesztése, amely megőrzi a nagy hatásfokot, de magasabb nyomatékot lehet vele elérni. Hibrid szinkron motornak is tekinthető, mivel állandó mágnest is tartalmaz, de jelentős a reluktancia nyomaték kihasználása is. Előnye, hogy akár hagyományos ferrit mágnes is használható, nincs feltétlenül szükség neodímium mágnesekre, de akár vegyesen is alkalmazhatják ezeket, szimmetrikusan egy részben kisebb fluxusú ferrit, más részben nagyobb fluxusú szupermágnes elrendezésben. A mágnes nélküli szinkron reluktancia motorokhoz képest a PMa SynRM sokkal jobb hatásfokot kínál, ráadásul ez szélesebb fordulatszám tartományban érhető el, ami kiváló lehetőséget kínál elektromos autókban történő felhasználásra.

Ferrit mágneses SynRM motor hatásfok térkép

Neodímium mágneses SynRM motor hatásfok térkép

Csoportosítás a fluxus iránya szerint

Az eddig ismertetett motoroknál leginkább az alkalmazott mágneses tér előállításának módját taglaltuk, van azonban egy másik szempont is, amely szerint csoportosítani lehet az elektromotorokat, ez pedig a fluxus, azaz a mágneses erővonalak iránya alapján történik.

A fluxus szempontjából megkülönböztetünk:

• axiális (párhuzamos a motor tengelyével)
• radiális (merőleges a tengellyel)
• transzverz (keresztirányú), illetve
• kevert fluxusú motorokat.

Az általánosan használt motorok radiális fluxusúak, az axiális fluxusú motorok kisebb térfogattal készíthetők, viszont nehezebben hűthetők. Viszonylag új megoldásnak számít, így kevés a tapasztalat velük.
A keresztirányú fluxusú motorok fejlesztése a legbonyolultabb, gyártásuk is igen körülményes lesz, egyelőre tesztelési fázisban vannak, de már a Honda is kísérletezik velük, illetve a Scania is készített már hibrid hajtású, 150 kW teljesítményű, transzverz fluxusú motorral ellátott buszt, amelyet Stockholmban állítottak próbaüzembe.

Hogy melyik lesz majd a szent grál a villanymotorok között, az egyelőre nem tudható, de óriási meglepetésekre nem kell számítani, a jó nyomatékhoz nagy mágneses térerőre van és lesz szükség a jövőben is, az pedig, hogy ezt drága neodímium mágnessel, vagy gerjesztve érik-e el, az már csak a felhasználás és a ráfordítható összeg kérdése.

Melyik a legjobb villanymotor?

Végezetül érdemes kitérni arra, hogy a sok felsorolt típus közül melyik a legjobb. A válasz nagyon egyszerű: egyik sem. Mint ahogy nincs legjobb autó, legjobb repülőgép, legjobb fényképezőgép és legjobb objektív sem, így legjobb villanymotor sincs. Többféle villanymotor érhető el, amely felhasználástól függően lehet jól, vagy kevésbé jól, hatékonyan, vagy kicsit veszteségesebben, olcsón, vagy drágán használni.

Azt pedig majd az elektromos autó gyártók ügyesen kiválasztják, hogy a készítendő villanyautóba melyik tűnik majd ideálisnak. Az biztos, hogy az autók esetében fontos az alacsony fordulatszámon elérhető jó indítónyomaték, de ugyanígy nem lényegtelen a jó hatásfok sem. Minden tekintetben ideális motor azonban nincs, valamit mindenképpen be kell áldozzunk azért, hogy egyik vagy másik paraméter jobb legyen. Ráadásul hiába kiváló a hatásfoka a hajtást adó villanymotornak, ha maga a kasztni rossz légellenállási együtthatójú. A végső fogyasztást egy sor paraméter határozza meg és ebben csak az egyik dolog a villanymotor, de ugyanígy fontos a jó aerodinamikai tulajdonság, a lehetőség szerint visszafogott tömeg, és a jól megválasztott gumiabroncs is. Nem véletlen hát, hogy nem csak a villanymotorokat igyekeznek fejleszteni, de a légellenállási együtthatót is igyekeznek a padlóig lenyomni, amihez a visszapillantó tükrök elhagyását és kamerával helyettesítését, valamint a kilincsek kiváltását is megoldják.

Nagyon nem érdemes tehát túlmisztifikálni ezt a „melyik a legjobb” kérdést, de ha érdekelnek minket a részletek, akkor jó lehet ezekről a típusokról tudni, pláne majd akkor, ha egy autógyártó kijön egy új megoldással, ami biztosan nem egy vadonatúj módszer lesz, hanem valamelyik már létező technológia továbbfejlesztése, vagy átdolgozása. Ez esetben pedig már első ránézésre tudhatjuk majd, hogy mik lesznek annak a villanymotornak a fő tulajdonságai, a gyártó pedig majd elmondja, hogy az újítással min tudtak csiszolni, vagy faragni.

Vannak már próbálkozások ötfázisú, BLDC motorok járművekben való alkalmazására is, itt minden pillanatban legalább négy fázis vesz részt a nyomatékképzésben, amely magas nyomatékot eredményez, de a neodímium mágneses kerékagy motor egyelőre túl drága ahhoz, hogy sorozatgyártású személyautókba kerüljön.

Irházy Róbert