Концепції електроприводу у VW

Використання платформи MEB для електроприводів у Volkswagen вже йде повним ходом з моделями ID. Пояснюємо, чому в конструкції використовуються різні електродвигуни.

Щоб задовольнити різноманітні вимоги різних цільових груп, платформа MEB має високу варіативність і спроектована таким чином, що може бути оснащена або одним двигуном на задній осі, або – для повного приводу – додатковим двигуном на передній осі. Всі двигуни, призначені для модульної системи, були розроблені самим Volkswagen. Задній двигун (APP 310) є синхронним двигуном з постійним збудженням (PSM) і працює через одноступінчастий редуктор, тоді як передній двигун є асинхронним двигуном (ASM).

Причини досить незвичного поєднання двигунів є суто технічною, і обидва двигуни ідеально підходять для їх різного використання.

Синхронний двигун на задній осі

Привод APP 310 на задній осі складається з інтегрованого синхронного двигуна з постійним збудженням, силової електроніки та редуктора. Позначення APP походить від осево-паралельного розташування приводу і редуктора, а додаткова цифрова послідовність – від максимального крутного моменту 310 Нм. Привод видає (максимум за 30 с) 150 кВт в діапазоні від 4500 до 8000 об/хв і 310 Нм від 0 до 4200 об/хв, при максимальній швидкості 16 000 об/хв. Привод важить близько 90 кг.

Силова та керуюча електроніка, прикручена до корпусу двигуна, перетворює постійний струм від тягової батареї в трифазний змінний струм за допомогою біполярних транзисторів IGBT.

Основою електродвигуна є нерухомий статор і рухомий ротор, які виготовляються на заводі комплектуючих у Зальцгітері. Ротор APP 310 складається з чотирьох модулів, які розташовані в ряд і зміщені на 90 градусів з метою зменшення пульсацій крутного моменту.

Кожен модуль складається зі стопки феромагнітних листів товщиною 0,27 мм. Кожна стопка листів оснащена вбудованими постійними магнітами, розташованими у V-подібній формі.

Торці ротора ущільнені балансувальними дисками і з’єднані між собою чотирма затискними болтами, які проходять через ламінований сердечник. Кутове положення ротора вимірюється за допомогою датчика і кодувального диска.

Статор має зовнішній діаметр 220 мм і містить обмотку. Інноваційна технологія обмотки з плоскими литими мідними котушками збільшує щільність крутного моменту і ефективність електроприводу в порівнянні з електроприводом з традиційно намотаними котушками з мідного дроту. Охолодження відбувається за допомогою водяного контуру, який спочатку протікає через інвертор, а потім через канали в корпусі статора.

Косозубий редуктор з передавальним числом 11,5 : 1 приводить в рух диференціал на осі, паралельній двигуну.

VW стверджує, що комбінація двигун-інвертор-редуктор має ефективність понад 90 % у широкому діапазоні застосувань.

Асинхронний двигун на передній осі

Спереду моделі VW оснащені співвісно встановленим електродвигуном, двополюсним асинхронним двигуном (ASM), який може розвивати 75 кВт за 30 с від 4400 об/хв до максимальної швидкості 13 500 об/хв і 160 Нм від 0 до 4300 об/хв. Силова електроніка з інвертором також інтегрована і спроектована за аналогією з технологією заднього двигуна.

Ротор з обмоткою складається з порожнистого валу і сепаратора з прутками, розташованими під невеликим кутом до поздовжньої осі. Статор із зовнішнім діаметром 200 мм має дротяні котушки круглого перерізу. Через тепло, що виділяється ротором, охолодження цього двигуна є більш складним і поєднує масляний і водяний контури. Ротор охолоджується через масляний контур за допомогою насоса, що приводиться в дію проміжним валом редуктора. Сам двигун слугує резервуаром для масла. Теплообмінник між статором і перетворювачем охолоджує масло, яке подається назад до насоса. Охолоджувальна рідина протікає через перетворювач, теплообмінник з маслом, а потім через сорочку, вставлену в корпус статора, по спіралі.

Вага двигуна – 60 кг. Виробник також заявляє, що загальний ККД двигуна з перетворювачем становить понад 90 %, хоча і в обмеженому діапазоні застосувань порівняно з синхронним двигуном. Передавальне число 9,95 : 1 також забезпечується циліндричним редуктором, але його вихід коаксіально з’єднаний з двигуном, а вал, що проходить через ротор, приводить у рух вал циліндричної шестерні.

У коаксіальному редукторі вхідний і вихідний вали знаходяться на одній осі обертання.

Чому різні типи електродвигунів?

Окрім компонентів інвертора, ці два двигуни не мають спільних компонентів, що може здатися дивним у часи стандартизації продукції з метою зниження витрат. Насправді, технології були обрані відповідно до використання кожного двигуна.

На зображенні показані криві потужності та крутного моменту електроприводу ID.4. Задній двигун є основним приводом, і його ефективність має пріоритетне значення, оскільки визначає дальність ходу.

Синхронна технологія з постійними магнітами забезпечує найкращу ефективність у широкому робочому діапазоні, в даному випадку від 60 до 110 км/год, і ще вищу ефективність між 30 і 150 км/год. Співвідношення потужності до маси також вище: 1,67 кВт/кг порівняно з 1,25 кВт/кг для переднього двигуна і 0,94 кВт/кг для e-Golf.

Передача на паралельний вал, на відміну від коаксіального, також дозволяє обмежити діаметр ротора, щоб він міг досягати швидкості 16 000 об/хв і, таким чином, забезпечувати високу потужність.

Двигун переднього моста використовується лише в автомобілях, які потребують повного приводу та/або більшої потужності. Тому він активний лише протягом коротких періодів часу, наприклад, під час прискорення або на погано зчеплених поверхнях. Передній асинхронний двигун менш ефективний, ніж задній, відсутність постійних магнітів не дозволяє йому створювати значний момент опору, коли він знеструмлений. Проте він є ідеальним кандидатом на роль резервного двигуна, оскільки більшу частину часу працює в режимі вільного ходу, тобто не генерує ніякого додаткового споживання. Його міжосьова коаксіальна трансмісія обмежує його розмір і, таким чином, зменшує передній звис автомобілів до мінімуму. Volkswagen виробляє електродвигуни для автомобілів на платформі MEB для Європи та Північної Америки на своєму заводі в Касселі. Кассель також співпрацює з китайським заводом у Тяньцзіні, де паралельно виробляється електропривод для місцевого ринку. 

Висновок

Асинхронний двигун (ASM) на передній осі відповідає лише за функцію підсилення та повний привод. Асинхронний двигун не має постійних магнітів у роторі. Якщо обмотки ротора не знаходяться під напругою, такий двигун практично не створює опору. Це важливо для двигуна, який працює лише час від часу. На відміну від синхронного двигуна (PSM), який рекуперує енергію і трохи гальмує щоразу, коли педаль акселератора відпускається. Отже, тільки економічний PSM на задній осі ID.4 працює під час звичайного руху і лише коли потрібне високе прискорення або тягове зусилля, вмикається зазвичай менш ефективний асинхронний двигун (ASM) на передній осі – вдалий підхід до поєднання потужності та ефективності.