Synkron og asynkron: Elbilernes hjertebankende hemmelighed

Elbiler er fyldt med avanceret teknologi, men i sidste ende handler det hele om én ting: motoren. Det er den, der omsætter strøm fra batteriet til bevægelse, og der findes grundlæggende to typer af elektrisk motor i elbiler: synkronmotoren (PMSM) og asynkronmotoren (IM).

Begge har deres styrker og svagheder, og nogle bilproducenter bruger endda begge typer for at optimere ydeevne og effektivitet. Men hvad er egentlig forskellen? Lad os dykke ned i detaljerne – uden at drukne i ingeniørsprog.

Sådan fungerer en elektrisk motor – kort fortalt

Uanset om det er en synkron- eller asynkronmotor, fungerer en elektrisk motor på samme grundprincip: at omdanne elektrisk energi til bevægelse. Når strøm fra batteriet sendes til motoren, skaber den et magnetfelt i statoren – den ydre del af motoren. Dette magnetfelt interagerer med rotoren, den indre bevægelige del, og får den til at dreje rundt. Rotationens hastighed og kraft afhænger af motorens type og design.

De forskellige dele af en moderne elektrisk motor. Her illustreret ved hjælp af Volkswagens APP550 motor.

I en elbil er denne roterende bevægelse direkte forbundet til hjulene, hvilket giver bilen fremdrift. Kort sagt er det elektricitet, der skaber magnetisme, og magnetisme, der skaber bevægelse – det er elbilens magi i aktion.

Alle elektriske motorer – også de små, der bruges i elektriske tandbørster – fungerer efter samme princip. De har en rotor og en stator, der skaber bevægelse, når der sættes strøm til. I en elektrisk motor, som dem til elbiler, er der desuden en varmeafleder, der skal sikre optimal driftstemperatur.

I vekselstrømsmotorer, som dem der bruges i elbiler, er der også en inverter, der konverterer batteriets jævnstrøm til vekselstrøm, hvilket gør det muligt at styre motorens hastighed og moment. Uanset om det er en PMSM eller en IM-motor, arbejder alle disse dele sammen for at levere den kraft, der driver elbilen fremad.

Synkronmotoren er effektiv og stærk, men krævende

En synkronmotor fungerer ved, at der er permanente magneter monteret på rotorens overflade. Statoren (den ydre del af motoren) genererer et roterende magnetfelt, som trækker rotoren med sig – præcis i samme hastighed, altså synkront. Deraf navnet Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM).

Synkronmotoren er mere krævende sammenlignet med en asynkronmotor, fordi den har visse tekniske udfordringer. Først og fremmest anvender den sjældne jordarter, hvilket både gør den dyrere og mere afhængig af en sårbar forsyningskæde. Derudover er den følsom ved høje hastigheder, da mod-EMF øges, hvilket kræver avanceret magnetfeltstyring for at kunne opretholde hastigheden.

En anden faktor er, at styringen af en PMSM er mere kompleks, fordi inverteren skal levere præcise signaler for at opnå optimal effektivitet og ydeevne. Dette kræver mere avanceret software og effekt-elektronik. Endelig kan temperaturhåndtering være en udfordring, fordi motoren konstant genererer et magnetfelt fra de permanente magneter. Det kan føre til ekstra varmeudvikling, hvilket kræver effektive kølesystemer for at undgå overophedning og tab af ydeevne.

PMSM-motorer er de facto standard i moderne elbiler, fordi de giver høj effektivitet og lavt energiforbrug.

Fordele ved synkronmotoren:

Høj effektivitet – PMSM-motorer har en høj virkningsgrad, især ved lave hastigheder og moderat belastning. Det betyder længere rækkevidde per opladning.

Kompakt og let – De er ofte mindre og lettere end asynkronmotorer med samme effekt.

Stærk acceleration – Permanentmagneterne gør, at motoren reagerer lynhurtigt og leverer højt moment fra stilstand, hvilket giver kvik acceleration.

Ulemper ved synkronmotoren:

Dyrere at producere – De bruger sjældne jordarters magneter som neodym, hvilket kan gøre dem dyre og mindre bæredygtige.

Kritisk ved høje hastigheder – Ved meget høje hastigheder øges mod-EMF (elektromotorisk kraft), hvilket gør det sværere at tilføre strøm til motoren. Derfor kræver de en teknik kaldet feltweakning (magnetfeltstyring) for at fungere effektivt ved motorvejshastigheder.

Asynkronmotoren – robust og fleksibel

Den anden type elektrisk motor er asynkronmotoren, IM, også også kendt som en induktionsmotor. Den fungerer ved at skabe et magnetfelt i statoren, der inducerer strøm i rotoren. I modsætning til en synkronmotor, hvor rotoren drejer i præcis samme takt som statorens magnetfelt, har en asynkronmotor et lille slip – rotoren drejer en smule langsommere. Denne egenskab gør motoren både robust og fleksibel.

Audis illustration af deres asynkrone motor til frontakslen på Q6 e-tron quattro

Da Tesla lancerede de første Model S og Model X var det med en enkelt asynkronmotor til at drive baghjulene. Denne motortype blev valgt på grund af dens robusthed og evne til at levere høj ydeevne. Sådan er det ikke mere. Når asynkronmoteren bruges, er det typisk som sekundær motor. Eksempelvis har Tesla Model Y synkronmotor på bagakslen for maksimal effektivitet og en asynkronmotor på frontakslen for boost og fleksibilitet ved høj hastighed. Det er et greb, de fleste bilproducenter bruger på modeller med flere motorer.

Fordele ved asynkronmotoren

Robust og billigere at producere – Da den ikke kræver sjældne jordarter, er den billigere at fremstille og mere miljøvenlig.

God ved høje hastigheder – IM-motorer kan justere deres magnetfelt og fungerer særligt godt ved motorvejshastigheder.’

Tåler høj varme – Induktionsmotorer kan håndtere højere temperaturer uden at miste ydeevne, hvilket gør dem mere holdbare i krævende driftssituationer.

Ulemper ved asynkronmotoren

Lavere effektivitet ved lave hastigheder – IM-motorer kræver mere strøm for at generere det nødvendige magnetfelt, hvilket betyder, at de bruger mere energi ved bykørsel og lav belastning.

Større og tungere – De fylder mere og vejer mere i forhold til en PMSM med samme effekt.

Renaults enegang

Renault har udviklet en hybrid mellem de to motortyper. EESM-motoren, Electrically Excited Synchronous Motor, er teknisk set en synkronmotor, men i stedet for permanente magneter i rotoren bruger den elektrisk excitation (dvs. en separat strømforsyning til rotoren via slipringe). Dette betyder, at elektromagneter i rotoren genererer det nødvendige magnetfelt.

Renault har valgt EESM i deres elbiler (Megane E-Tech Electric og Scenic E-Tech Electric) for at undgå sjældne jordarter (som bruges i PMSM-motorer) og samtidig opnå en højere effektivitet end en klassisk asynkronmotor.

Renault EESM-motor bruges også i visse varianter af Nissa Ariya, ligesom Mercedes-Benz brugte Renaults motor i de første udgaver af EQA og EQB.

Renaults EESM-motor blev præsenteret i 2012 og blev først brugt i Zoe.

Alternativer på vej – fremtidens motorteknologi

Selvom synkron- og asynkronmotorer dominerer elbilmarkedet i dag, arbejdes der på flere alternative teknologier, der kan gøre elbiler endnu mere effektive og bæredygtige.

Axialflux-motorer er en af de mest lovende udviklinger. Disse motorer har en mere kompakt og lettere opbygning end traditionelle motorer og kan levere højere effektdensitet, hvilket kan forbedre både rækkevidde og ydeevne. Flere producenter, som Mercedes-Benz og Lucid Motors, eksperimenterer med denne type elektrisk motor, der kan bygges direkte ind i hjulene. Men deres højere produktionsomkostninger gør dem endnu ikke til standardvalget for masseproduktion af elbiler.

En anden spændende udvikling er reluktansmotorer, hvor den elektriske styring optimeres for at minimere behovet for sjældne jordartsmetaller. Tesla har allerede indikeret, at de arbejder på en ny motor uden sjældne jordarter, hvilket kan reducere afhængigheden af kritiske råstoffer og gøre produktionen mere bæredygtig.

Derudover undersøges integrerede drivsystemer, hvor motor, inverter og gearkasse samles i én kompakt enhed. Dette kan reducere vægt og forbedre effektiviteten ved at minimere energitab i transmissionen.

Med disse innovationer i horisonten kan fremtidens elbilmotorer blive endnu lettere, kraftigere og mere miljøvenlige – og måske endda revolutionere måden, vi kører på.