Elbilarna jagar prestanda – med elmotorn i fokus

2021-12-16 06:00  

Elmotorn är enklare, billigare och effektivare än förbränningsmotorn. Men tillverkarna lutar sig inte tillbaka – tvärtom. Vi pekar ut fem trender för att pressa elmotorerna till deras yttersta gräns. 

Dagens elmotorer för elbilar har en toppverkningsgrad kring 95 procent, jämfört med cirka 30 procent för en bensinmotor. Kan elmotorn därmed anses färdigutvecklad? Knappast. 

– Designen blir mer och mer raffinerad. Elmaskiner har ju funnits jättelänge, men främst använts i industrin. Nu har de fått ett nytt användningsområde, med sina egna specifika krav, säger Emma Grunditz, forskare vid Elkraftteknik på Chalmers.

Emma Arfa Grunditz, forskare vid Elkraftteknik på Chalmers. Foto: Chalmers

I årets upplaga av Ny Tekniks kartläggning Elbilskampen tar vi tempen på hur fordonstillverkarna ligger till när det gäller utvecklingen av elmotorer. Vi fokuserar på elbilar, där en eller flera elmotorer står för all framdrivning, och lämnar hybrider därhän.

Den stora elbilskampen har börjat (Elbilskampen 2017)

Så vill biltillverkare komma ikapp Tesla (Elbilskampen 2018)

Här är teknikvalet som delar elbilstillverkarna (Elbilskampen 2019)

Läs mer: Kartläggning: Vem bygger batterierna till elbilen?

Skillnaderna mellan bolagen är stora, sett till vilken elmotorteknik de använder sig av och om de utvecklar eller producerar dem internt. Samtidigt går det att skönja trender som löper tvärs mellan tillverkarna. 

Likströmsmotorn är passé 

Elmotorn har flera hundra år på nacken och har med tiden utvecklats i en rad olika riktningar. Vid försöken med elbilar under 1900-talet handlade det oftast om enklare likströmsmotorer för framdrift. Eftersom batteriet avger likström kan det verka som en vettig lösning, men likströmsmotorer är generellt sett ineffektiva jämfört med växelströmsmotorer – vilket snabbt översätts till kortare räckvidd. 

Läs mer: ”Pannkaksmotorn” – en uppstickare på väg mot genombrott? 

I princip alla biltillverkare har därför gått över till växelströmsmotorer i kombination med en spänningsomvandlare. För mindre elfordon är dock likströmsmotorer fortsatt det överlägset vanligaste valet – men då i den effektivare borstlösa varianten.  

Bara radialflödessmotorer 

Det finns numer en uppsjö olika elmotortyper vilket snabbt gör det snårigt. Här fokuserar vi därför bara på de vanligaste i elbilssammanhang. 

I princip alla elmotorer i dagens personelbilar är radialflödessmotorer, där det magnetiska flödet verkar vinkelrätt mot rotationsaxeln. Konstruktionsmässigt blir motorerna därför oftast formade som en något utsträckt cylinder.

GM:s största elmotor av typen PMSM, med en effekt om 255 kW Foto: GM

Det finns även en uppstickare i form av axialflödesmotorn, kallad pannkaksmotor, där magnetfältet verkar parallellt med rotationsaxeln. Men mer om den här.

Alla elmotorer i vår genomgång har en yttre stator, en inre rotor och drivs primärt av trefas växelström. I statorn finns lindningar som när de kopplas till växelström skapar ett roterande magnetfält. Genom olika typer av magnetiska fenomen bildas krafter som får rotorn att snurra, vilket driver hjulen. 

Induktionsmotor (IM) 

Nikola Tesla anses ha uppfunnit det första trefasiga konceptet i slutet av 1880-talet. Att elbilstillverkaren Tesla heter som de gör beror förstås på att de till en början enbart använde sig av induktionsmotorer.  

Motortypen är robust, billig att tillverka, kräver inga dyra permanentmagneter och kan överbelastas rejält utan att ta skada. Bland nackdelarna finns att verkningsgraden är begränsad (kring 93 procent), att effekttätheten är sisådär (den blir tung eller skrymmande) och att den kräver avancerad styrning för att fungera i en elbil. 

Exempel på bilmodeller med induktionsmotor: Tesla Roadster, Model S, Y samt i dubbelmotorutförande även Model 3 och Y, Audi E-tron, tidiga Mercedes-Benz EQ.

Synkron permanentmagnetmotor (PMSM) 

Dagens synkrona permanentmagnetmotorer är möjliga tack vare att General Motors och japanska Sumitomo Special Metals i mitten av 1980-talet tog fram riktigt starka permanentmagneter bestående av neodym, järn och bor. 

Toyota var senare drivande i att utveckla själva motorn till hybriden Prius, och experimenterade bland annat mycket med hur magneterna skulle placeras i rotorn. 

Motortypen har flera fördelar jämfört med induktionsmotorn, bland annat högre effekttäthet och bättre verkningsgrad (kring 97 procent). Den främsta nackdelen är att magneterna kräver sällsynta jordartsmetaller, primärt neodym. Även dysprosium används ibland för att minska magnetens benägenhet att förlora styrka vid ökad temperatur. Omkring hälften av motorkostnaden kan härledas till magnetmaterialet, enligt en studie från 2013. De sällsynta jordartsmetallerna utgör dessutom en stor kostnadsrisk, eftersom Kina sitter på en stor andel av tillgångarna. 

PMSM är den vanligaste motortypen i personbilar och finns bland annat i Fiat 500 EV, Chevrolet Bolt, Hyundai Ioniq, Kia EV6 och Porsche Taycan.

Permanentmagnetassisterad synkron reluktansmotor (PMaSynRM) 

PMaSynRM tillhör en underkategori till PMSM. Den försöker kombinera fördelarna av PMSM med interna magneter med den i bilsammanhang ovanliga synkrona reluktansmotorn, som nyttjar den magnetiska reluktanseffekten. Emma Grunditz påpekar att skillnaderna mellan PMaSynRM och en PMSM med interna magneter inte behöver vara särskilt stor. Båda varianterna nyttjar reluktanseffekten i någon mån. 

– Gränserna kan bli lite flytande, säger hon. 

Fördelen är att motorn har högre verkningsgrad jämfört med induktionsmotorn samtidigt som den inte kräver lika mycket magnetmaterial som en permanentmagnetmotor. Bland nackdelarna finns momentskiftningar (torque ripple) och lägre momenttäthet än permanentmagnetmotorer. 

Somliga menar att Teslas nya motor i Model 3 är en PMaSynRM, men bolaget kallar den enbart PMSM i instruktionsboken. Oavsett var Tesla inte först. Bland annat BMW använde PMaSynRM i tidigare versioner av i3 samt i hybriden i8.

Rotorlindad synkronmotor (WRSM) 

WRSM är en motortyp som helt reducerar behovet av sällsynta jordartsmetaller genom att ersätta permanentmagneterna i rotorn med lindningar som genererar magnetfälten. 

Fördelen är att sällsynta jordartsmetaller inte behövs och att man kan styra rotorns magnetfält genom att variera strömmen, vilket är särskilt användbart när motorn bara delvis belastas. Men verkningsgraden är inte lika god som för PMSM. Slitagekänsliga släpringar användes tidigare för att överföra strömmen till rotorn, men i dag finns andra tekniker för det. 

Renault har länge använt sig av typen i Zoe. 2019 anslöt BMW i och med presentationen av deras femte generations drivlina.

Marknadsandel olika elmotorer 

Sammanfattningsvis såg marknadsandelarna för personbilar (inklusive hybrider) ut så här 2020, för de olika motortyperna,

Trender inom elmotorer 

Elmotortillverkarna strävar hela tiden efter att krama ur mer prestanda ur sina produkter. Generellt sett handlar det inte om nya banbrytande designer, utan om mindre förbättringar på många olika områden, till exempel materialval och magnetplacering. Det finns nämligen ett antal knep att ta till. Här listar vi några av dem. 

Trend 1: Hårnålslindning av statorn 

Statorns lindningar görs traditionellt sett av rund koppartråd som packas ihop, vilket innebär att det bildas tomrum mellan trådarna. Flera motortillverkare har ersatt tråden med tjockare stänger av fyrkantig koppar, böjda så att de påminner om hårnålar, därav namnet hårnålslindning. 

Den högre fyllfaktorn av statorspåren gör att värmeförlusterna i kopparn minskar, vilket översätts till högre verkningsgrad och bättre effekttäthet. Nackdelen är att tillverkningskostnaden ökar. Porsche, GM och Jaguar använder sig av tekniken. VW, Toyota, BMW och Audi har nyss tagit, eller är på väg att ta, klivet. Tesla och Renault håller ännu så länge fast vid den runda koppartråden. 

– Jag tror att vi kommer att få se fler och fler motorer med hårnålslindning framöver, säger Emma Grunditz.

Hårnålslindning används av allt fler som ett sätt att öka fyllfaktorn i kopparlindningarna av statorn, vilket ger minskade förluster och bättre effekttäthet. På bilden syns rotorn till elmotorn i BMW iX3. Foto: BMW

Trend 2: Högre varvtal 

Motorns varvtal är direkt kopplat till vilken effekt motorn lämnar. Därför arbetar många motortillverkare i premiumsegmentet hårt för att höja varvtalet, vilket innebär högre effekttäthet. 

– Förut låg maxvarvtalen ofta runt 10 000 varv per minut. Nu ser vi flera exempel på uppåt 20 000 varv, säger Emma Grunditz. 

Men utmaningarna är flera, bland annat att ledningsförlusterna i järnet ökar med hastigheten, samt att rotorn rent mekaniskt måste klara av krafterna som uppstår vid så högt varvtal. 

Trend 3: Förbättrad kylning 

Även om elmotorer bara producerar en bråkdel av spillvärmen jämfört med en förbränningsmotor så är kylbehovet stort. En för hög temperatur innebär bland annat ökade förluster i kopparen samt att permanentmagneter förlorar i styrka – eller riskerar att avmagnetiseras helt. 

I dag är i princip alla kylda med kylvätska i kanaler eller genom att utrymmen helt enkelt fylls med olja som pumpas runt.  

– Det vanligaste hittills är att ha kylkanaler utanpå motorhuset. Men nu ser vi fler varianter med kylkanaler inne i motorn i stället, bland annat från Tesla, där de kyler genom axeln för att minska förlusterna i rotorn. Det finns också en hel del forskning på att man kan kyla motorn i statorspåren för kopparlindningarna, även om jag ännu inte har sett några kommersiella exempel på det ännu, säger Emma Grunditz. 

Trend 4: Integrering 

Tidigare monterades ofta elmotor, spänningsomvandlaren och växellådan för sig. Numer har det blivit vanligare att de integreras till en enda produkt, kanske även tillsammans med hela hjulaxeln. Resultatet blir bland annat minskat kabel- och materialbehov och därmed lägre kostnader.

Elmotorerna blir allt mer integrerade med andra komponenter, som spänningsomvandlare och växellåda. Här en drivenhet från GKN Automotive. Foto: GKN Automotive

Trend 5: Egen utveckling och tillverkning 

Det finns åtskilliga underleverantörer som gärna säljer elmotorer till bilbolagen, till exempel TM4 (Dana), ZF, Siemens, Borg Warner och Continental. Men åtminstone bland biltillverkarna i premiumsegmentet märks en större vilja att själva äga utvecklingen och ibland även produktionen. Volvo Cars är ett bra exempel, som i dagsläget köper in sina elmotorer men om några år ska börja tillverka dem i Skövde.

Volvo Cars ska ställa om förbränningsmotorfabriken i Skövde till elmotorer. Foto: Volvo Cars

Mattias Bergman, vd på Bil Sweden, påpekar att skillnaderna mellan att bygga en elmotor och en förbränningsmotor är stora, och att flera biltillverkare hittills därför har valt att köpa in elmaskinerna.  

– I takt med att omställningen fortgår kommer fler fordonstillverkare att bygga upp den kompetensen internt, och även produktionen, säger han till Ny Teknik. 

Emma Grunditz på Chalmers håller med. 

– För att få ner kostnaden och öka kontrollen tror jag att de i allt högre grad kommer att tillverka dem själva, kanske i samarbete med andra. För att få de där sista procentenheterna verkningsgrad tror jag att man måste utveckla motorerna specifikt för den egna bilen, säger hon. 

Så här tänker elbilstillverkarna om elmotorer

PM/IM: Huvudfokus på PMSM/PMaSynRM med IM som komplement vid fyrhjulsdrift.

Tesla. Teslas pionjärstatus inom elbilar gäller även elmotorer. Företaget bestämde sig i starten för att satsa på den verkningsgradsmässigt sämre induktionsmotorn till de första bilarna Roadster, Model S och Model X. I Model 3 och senare Model Y har företaget gått över till PMSM/PMaSynRM i kombination med en IM i dubbbelmotorutförande, med argumentet att en PMsynRM ger en bättre kostnadsoptimering.

tesla-pm.png 

Volkswagen (utom Audi och Porsche). VW-gruppen, med bland annat VW, Seat och Skoda, har gemensam utveckling och tillverkning av elmotorer, vilket verkar vara en naturlig del av företagets ambitiösa elektrifieringsstrategi. VW använder sig av hårnålslindande PMSM med ett raffinerat kylsystem på bakaxeln i MEB-plattformen (VW ID3-5, Cupra Born, Skoda Enyaq bl.a). På framaxeln på fyrhjulsdrivna modeller sitter det däremot en IM.

VW-APP310.jpg 

Audi: Audi använde likt Tesla egentillverkade induktionsmotorer i första elbilen E-tron. De kommande större elbilarna kommer dock att byggas på PPE-plattformen som delas med Porsche. Enmotoriga modeller får en PMSM som går att få i två storlekar medan tvåmotoriga kompletteras med en IM. Det är ännu ont om detaljer kring dessa. Mindre modeller byggs på MEB-plattformen som delas med VW.

Audi-PPE-front.png

Mercedes-Benz: Mercedes-Benz har primärt använt sig av induktionsmotorer till de tidiga modellerna i elbilsklassen EQ, till exempel EQC, men har nu gått över till PMSM i kombination med IM vid fyrhjulsdrift. Framöver satsar bolaget på egen tillverkning av axialfältsmotorer, genom köpet av elmotortillverkaren Yasa.

MercedesEQA.jpeg 

GM. GM har utvecklat och tillverkat elmotorer sedan 2013, till bland annat Chevy Bolt. Företaget har nu fått upp tempot i elektrifieringen och presenterade i somras tre nya egenutvecklade elmotorer som ska användas i kommande elbilar. Två PMSM och en kompletterande IM för fyrhjulsdrift.

GM-255.jpg 

 

PM: Huvudfokus på PMSM/PMaSynRM

Hyundai-Kia: Hyundai-Kia har en stark elbilsposition. Till den dedikerade elbilsplattformen E-GMP (Ioniq5, EV6) har nya effektivare och högvarviga motorer av typen PMSM utvecklats, med hårnålslindning, integrerad oljekylning och imponerande prestanda.

Hyundai-Kia.jpg 

Nissan: Japanska Nissan hakade redan 2010 på elektrifieringen med Leaf, med egen utveckling och tillverkning av motorn av typen PMSM. Den har genomgått flera uppdateringar sedan dess, redan 2013 integrerades den till exempel med växellåda och spänningsomvandlare. Även om Nissan tidigt hakade på elbilståget så har det inte hänt så mycket sedan dess – fram tills för ett par veckor sedan då en mångmiljardsatsning presenterades. Det återstår att se vad det innebär för elmotorutvecklingen.

nissan.jpg

Toyota: Toyotas stora hybridsatsning har lagt mycket av grunden till permanentmagnetmotorns framgång. Men företaget släpar efter på området elbilar. Vilken elmotor märkets nyligen presenterade första elbil, bZ4X, använder sig av är ännu oklart, annat än att det är en synkron växelströmsmotor. Oavsett har företaget gedigen erfarenhet av att utveckla PMSM.

toyota-bz4x.jpg 

Porsche: Märkets första elbil Taycan har två permanentmagnetmorer. Prestandan är det förstås inget fel på, det är ju trots allt Porsche, men motorn sticker inte ut på något sätt utan köps in av italienska Magneti Marelli. Kommande elbilen Macan byggs däremot på PPE-plattformen, som delas med Audi.

porsche.jpg 

Jaguar: Jaguar var tidigt ute med elbilen I-Pace, som har dubbla motorer av typen PMSM, utvecklade av Jaguar Land-Rover. Elmotorerna är integrerade till drivenheter av underleverantören American Axle & Manufacturing i Trollhättan och tillverkads i Polen.

jaguar.jpg 

Stellantis: Stor nybildad koncern med 14 bilmärken och färsk satsning på elektrifiering. Har sedan 2018 samriskbolaget NPe med japanska elmotortillverkaren Nidec gällande drivenheter med elmotortypen PMSM. NPe blir Europaleverantör gällande drivenheter även för Stellantis kommande elbilsplattformar.

peugeot-e-cmp.jpg 

Ford: Ford har knappast varit en spjutspets i elektrifieringen men investerar nu tungt och tillverkar sedan i somras PMSM i en fabrik i USA. Motorerna ska bland annat ska sitta i Ford F150-lightning. Ford har en mixad strategi, och har till exempel bestämt sig för att bygga bilmodeller på VW:s MEB-plattform.

Ford-crate.png 

Volvo Cars: Volvo använder sig av PMSM i samtliga elbilar. Motorerna köps in från Valeo Siemens. I fjol meddelade Volvo att förbränningsmotorfabriken i Skövde ska ställas om till elmotorer. Från mitten av decenniet är ambitionen att utveckla och tillverka egna elmotorer, men av vilken typ vill företaget inte säga.

Volvo-elmotor.jpg 

 

WRSM: Huvudfokus på WRSM

BMW: BMW har investerat i egen utveckling av elmotorer och är inne på femte generationen. Numer är kraftelektronik, motor och växellåda integrerad. Företaget har lämnat permanentmagnetmotorer bakom sig och i stället utvecklat en rotorlindad synkronmotor där permanentmagneterna är ersatta med lindningar.

BMW.jpg 

Renault: Renault är ett av få bolag som använder permanentmagnetfria motorer av typen WRSM. Tidigare tillverkades de av Continental men numer har Renault tagit hem all produktion av den elektriska drivlinan.

renault-r135.jpeg

Johan Kristensson

Mer om: Elmotor

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt