Geïntegreerde aandrijfeenheden: afwegingen tussen statorverpakking en rotorgrootte

Geïntegreerde aandrijfeenheden vergeven geen geometrische fouten. Zodra u de statorpakket- en rotorverhoudingen vastlegt, legt u ook de koppeldichtheid, het akoestische gedrag, de complexiteit van de koeling, de stuklijst en zelfs de manier waarop servicetechnici tien jaar later tegen de eenheid zullen vloeken vast. Software werkt de randen bij; het metaal bepaalt de vorm van het probleem.

De systeembox waarvoor je echt ontwerpt

De meeste EDU-documenten hebben het over efficiëntiekaarten en vermogensdichtheid, maar voertuigteams zijn geïnteresseerd in andere cijfers: de ruimte tussen de assen, crashrails, subframe-pick-up-punten en de vrije ruimte in de batterijtunnel. Recensies van moderne EDU's laten dezelfde trend zien: de motor, versnellingsbak en omvormer worden samen als één mechanisch object bemeten, niet als drie afzonderlijke componenten die alleen een as delen.

Dat betekent dat de buitendiameter van de stator en de omhulling van de rotor niet op zichzelf staande 'motorontwerpvariabelen' zijn. Ze concurreren om volume met de tandwielset, het differentieel en de omvormer. De hogesnelheidse-assen van AVL en anderen laten dit duidelijk zien: ze beperken de lengte en diameter van de rotor sterk, maar compenseren dit met een hogere snelheid en een grotere reductieverhouding in het tandwielstelsel.

Elke discussie over compromissen bij de rotorgrootte die geen rekening houdt met het EDU-gietwerk, de hoeken van de aandrijfas of de dikte van de omvormerblokjes is dus al onvolledig.

Eerst de statorverpakking of eerst de rotorgrootte?

In theorie zou je kunnen beginnen met het koppel en het basistoerental, een motortopologie kiezen en vervolgens CAD laten uitzoeken waar je de rest moet plaatsen. In een echt programma verloopt het vaak andersom. De hardpoints van de carrosserie geven je een motor "begrenzende cilinder" tussen de halve assen en het oppervlak van de omvormer. De versnellingsbak wil zijn eigen deel van die ruimte. Thermische ingenieurs eisen vervolgens wanddikte en oliegalerijen op. Pas na dit touwtrekken ontdek je welke rotordiameter en stapellengte er daadwerkelijk overblijven.

De compacte aandrijving van Lucid is een goed voorbeeld: rotor, stator, koelhardware en planetaire set zijn nauw in elkaar genest, waarbij het differentieel in de rotoras is getrokken. De motor kan niet vrij axiaal groeien omdat de tandwielset in lijn moet zitten; hij kan ook niet radiaal groeien omdat de behuizing nog steeds tussen de ophangingselementen moet passen.

Het eerlijke antwoord is dus: noch de stator, noch de rotor komt echt op de eerste plaats. De EDU-omhulling komt op de eerste plaats, en de geometrie van de rotor/stator is wat je oplost om die omhulling elektrisch, thermisch en mechanisch te laten werken.

Rotordiameter versus lengte: de stille strijd binnenin de behuizing

Iedereen in deze branche kent de basisverhoudingen. Het koppel is evenredig met de luchtspleetradius, de axiale lengte en de schuifspanning. Het is verleidelijk om het koppel te verhogen door de rotordiameter te vergroten totdat de behuizing protesteert. Dat werkt een tijdje. Maar dan komen de niet-ideale aspecten naar voren.

Een grotere diameter zorgt voor een hogere rotorsnelheid bij een bepaald mechanisch toerental. De centrifugale spanning in de huls en magneten neemt toe met het kwadraat van de snelheid, waardoor de mechanische veiligheidsmarges snel afnemen zodra u een bepaalde straal overschrijdt bij een bepaald maximaal toerental. Studies naar hogesnelheidassen en nieuwe concepten voor rotorkoeling onderstrepen hoeveel moeite er momenteel wordt gedaan om deze spanningen en temperaturen in compacte EV-machines te beheersen.

Aan de andere kant hebben lange, slanke rotoren hun eigen problemen. Ze vergroten de buigmodi, kunnen de tandwielaandrijving in EDU's versterken en worden vervelend vanuit het oogpunt van stapeltolerantie. NVH-artikelen over e-assen laten zien hoe as- en rotormodi koppelen met de dynamica van de behuizing en het tandwiel op een manier die niet bevorderlijk is voor de stilte in de cabine, vooral wanneer je het toerental van de motor opvoert tot boven de tienduizend omwentelingen per minuut.

Dat alles komt bovenop het voor de hand liggende: de diameter beïnvloedt de lengte van het koperen pad in de stator, de fluxdichtheid van de statortanden en de hoeveelheid ijzer die u in het juk nodig hebt. De lengte beïnvloedt de verhouding tussen de uiteinden van de wikkeling, axiale lekkagepaden en soms de koelingsverdeling. U kent de vergelijkingen al; wat belangrijk is in een EDU is hoe deze elektromagnetische effecten interageren met het gietstuk, de tandwielen en de olie.

Een compacte manier om na te denken over keuzes voor de geometrie van rotoren

Hier is een manier om de geometrische beslissingen samen te vatten waar je in geïntegreerde eenheden steeds op terugkomt:

Het gaat er niet om dat één rij 'juist' is. Het gaat erom dat zodra je een voorkeur kiest, een hele reeks secundaire beslissingen bijna gedwongen worden.

Statorverpakking, sleuven en de omvormer die ernaast staat

Moderne EV-machines maken gebruik van reeds bekende statortechnologieën: haarspeld- of staafgewikkelde stators voor een hoge sleufvulling, gesegmenteerde statorkernen, geconcentreerde wikkelingen in sommige ontwerpen. Maar wanneer de motor in een EDU is ondergebracht, zijn die keuzes niet langer alleen elektromagnetisch.

Gesegmenteerde stators met geconcentreerde wikkelingen met fractionele sleuven zijn aantrekkelijk omdat ze de productie vereenvoudigen, een hoge sleufvulling mogelijk maken en koelkanalen in afzonderlijke segmenten kunnen integreren. Onderzoek van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) en anderen toont aan dat dergelijke concepten met geïntegreerde koeling voldoen aan ambitieuze doelstellingen op het gebied van vermogensdichtheid. Segmentverbindingen, extra eindplaatfuncties en complexe koelmiddelroutes nemen echter allemaal ruimte in beslag die anders beschikbaar zou zijn geweest voor de rotorstraal of versnellingsbakelementen.

Haarspeldwikkelingen, zoals gebruikt in productiemotoren zoals de Ampera-e, maken goed gebruik van het stator-sleufoppervlak en werken goed samen met geautomatiseerde productie. In een EDU hebben de haarspelduiteinden echter axiale ruimte nodig. Dat vergroot de axiale lengte van de motor of neemt lengte weg van de tandwielset. Het zorgt ook voor dichte koperen gebieden op plaatsen waar de koeling en de busbar-routing al druk zijn.

De omvormerbehuizing geeft vervolgens feedback: dikkere vermogensmodules en busbars kunnen een grotere stator-OD veroorzaken of de motor dwingen om te verschuiven ten opzichte van de tandwielset, waardoor de plaats waar u lagerzijden en rotorsteunen mag plaatsen, kan verschuiven. De geometrie-discussie loopt in een vicieuze cirkel.

NVH, modi en geluid dat niet in de specificaties wordt vermeld

EDU's worden door klanten meer beoordeeld op basis van hun gehoor dan op basis van FFT-grafieken. En de geometrie van de rotor/stator is sterk hoorbaar.

De diameter en lengte van de rotor beïnvloeden de stijfheid en massa van het roterende geheel en daarmee ook de buig- en torsiemodi van de as. Wanneer dit in wisselwerking staat met de frequenties van de tandwieloverbrenging en de schakelharmonischen van de omvormer, kan dit leiden tot tonale ruis die met geen enkel softwarefilter echt kan worden weggefilterd. NVH-gerichte studies naar e-assen benadrukken het belang van een vroege gezamenlijke ontwerpfase waarin rekening wordt gehouden met elektromagnetische krachten, structurele modi en tandwieldynamica, in plaats van pas in een laat stadium oplossingen aan te brengen.

Ook de geometrie van de stator is van belang: smalle tanden en een groot aantal sleuven verschuiven de golfgetallen van de kracht en kunnen dominante excitatie naar minder gevoelige gebieden van de akoestische overdrachtsfuncties van de cabine duwen. Maar een zeer groot aantal sleuven verhoogt de complexiteit van de productie en kan in strijd zijn met de verpakkingsregels voor haarspelden of segmentverbindingen. Ook hier geldt weer: compromissen, geen gratis winst.

Koeling binnen een geïntegreerde unit

Als we kijken naar de huidige koelstrategieën voor elektromotoren, zien we een patroon ontstaan. Olie of diëlektrische vloeistof spoelt vaak de rotor en stator, en geeft vervolgens de warmte door aan een water-glycol-lus en vervolgens aan een radiator. Het oliecircuit deelt de ruimte met tandwielen, lagers en afdichtingen, plus alles wat het aandrijfteam nodig heeft voor smering en het beheersen van wrijvingsverliezen.

In beoordelingen en selectiegidsen voor koeling wordt nu benadrukt dat u de rotor, stator, behuizing en zelfs de omvormer als één thermisch object moet beschouwen. Een dikke rotor met een hoge verliesdichtheid kan elektromagnetisch gezien prima zijn, maar dwingt u tot complexe vloeistofkoeling via de as of zeer agressieve oliestralen, wat het pompvermogen en het ontwerprisico verhoogt. Een lange, slanke rotor verspreidt het verlies axiaal, maar vereist mogelijk langere behuizingen en meer oppervlakte voor dezelfde koelvloeistofstroom, wat ook niet gratis is.

Het statorpakket werkt hierop in. Interne mantels, ingebedde kanalen in statorsegmenten en directe koeling van eindwikkelingen vereisen allemaal ingegoten onderdelen of inzetstukken. Deze onderdelen nemen radiale en axiale ruimte in beslag die anders gebruikt had kunnen worden voor de rotorstraal of de breedte van het tandwieloppervlak.

Ontwerpheuristieken die daadwerkelijk helpen in de vergaderruimte

Formele multi-domeinoptimalisatietools zijn nuttig en recent werk op het gebied van geïntegreerde e-as-co-optimalisatie met machine learning is indrukwekkend. Maar engineeringteams nemen nog steeds hun eerste beslissingen op basis van eenvoudige patronen.

Eén patroon: begin bij het voertuig en de versnellingsbak, niet bij de motor. Bepaal de maximaal toegestane EDU-buitenomtrek, de versnellingsreductiestrategie en het volume van de omvormer. Dat levert een 'budgetcilinder' voor de motor op. Kies binnen dat budget een rotorsnelheidsband die past bij de beschikbare magneetmaterialen, insluitingstechnologie en NVH-verwachtingen van de klant.

Zodra de snelheidsband is overeengekomen, gebruikt u de rotordiameter als gemeenschappelijke maatstaf voor de elektromagnetische, mechanische en thermische teams. Elke extra millimeter diameter moet een duidelijk, meetbaar voordeel opleveren in koppeldichtheid of verliesreductie, en de prijs ervan moet zichtbaar zijn in de insluiting, de tipsnelheid en het olieromschudden. De axiale lengte wordt dan de variabele die de efficiëntie tijdens de aandrijfcyclus op een redelijk niveau houdt, in plaats van een stille kruip bij elke ontwerpbeoordeling.

Een tweede patroon: behandel statorverpakkingskenmerken als afzonderlijke posten in hetzelfde budget. Als gesegmenteerde stators of complexe koelmantels worden voorgesteld, vraag dan om een expliciete rechtvaardiging in termen van productiekosten, reparatiestrategie of een gemeten verbetering in efficiëntie of vermogensdichtheid gedurende een realistische aandrijfcyclus, niet alleen bij piekbelasting. Anders neemt dat materiaal alleen maar ruimte in beslag op de rotor zonder dat daar een duidelijk voordeel tegenover staat.

Wat verandert er nu: materialen, snelheden en integratietrucs

De handelssector is niet statisch. Uit beoordelingen van recente ontwikkelingen op het gebied van tractiemotoren blijkt dat er steeds meer aandacht is voor hogere mechanische snelheden, niet-traditionele rotormaterialen en concepten met meerdere rotoren of axiale flux om de vermogensdichtheid te verhogen zonder simpelweg de diameter te vergroten.

Met koolstofvezel versterkte rotorhulzen en zelfs structurele rotorlichamen gaan van onderzoeksrapporten naar serieuze prototypes, waardoor ze bij hoge tipsnelheden een betere insluiting bieden en de deur openen naar agressievere rotordiameters in compacte behuizingen. Multi-stator multi-rotorarchitecturen kunnen koppelproducerende fasen stapelen zonder de buitendiameter te vergroten, ten koste van mechanische complexiteit en soms axiale groei.

Aan de statorkant zorgen nieuwe koelingslay-outs en geïntegreerde omvormer-motorconcepten ervoor dat het traditionele beeld van een 'motor met daarop vastgeschroefde onderdelen' steeds verder verdwijnt. Geïntegreerde ontwerpen waarbij de omvormer rondom of binnenin de motorbehuizing is geplaatst, veranderen de richting waarin u kunt groeien en in welke mate, en ze veranderen ook waar de warmte daadwerkelijk naartoe gaat.

De grootte van de rotor en de behuizing van de stator blijven dus de twee belangrijkste factoren voor de vermogensdichtheid en de compactheid van de EDU, maar de materiaal- en integratietoolbox rondom deze factoren blijft zich uitbreiden. Dat is goed nieuws, maar het betekent ook dat de oude vuistregels regelmatig moeten worden getoetst aan nieuwe gegevens.

Waar blijft dan een EDU-ontwerper?

Als u verantwoordelijk bent voor een geïntegreerde aandrijfeenheid, bepaalt u in feite hoeveel van uw beperkte ruimte wordt ingenomen door de rotorstraal, hoeveel door de axiale lengte en hoeveel door het koper, staal, de koelstructuur, de tandwielset en de omvormer van de stator. Elke millimeter heeft een functie.

De praktische aanpak is om die taken expliciet te maken. Koppel de diameter van de rotor, de lengte van de rotor en de keuzes voor de statorbehuizing terug aan concrete systeemstatistieken: niet alleen piekvermogen in kW of Nm, maar ook de efficiëntie van de aandrijfcyclus, het pompvermogen, akoestische doelstellingen, de complexiteit van de assemblage, CO₂ per eenheid en de servicestrategie. Gebruik modellen en testgegevens om te controleren of u het probleem niet gewoon verplaatst van elektromagnetisme naar NVH of van koeling naar productie.

Als je dat consequent doet, zijn 'afwegingen bij de rotorgrootte' niet langer een abstract onderwerp bij het ontwerpen van motoren. Ze worden een gemeenschappelijke taal binnen het EDU-team, waar iedereen kan zien waarom de motor precies zo dik, zo lang en zo ingewikkeld is geworden.