Egyik villanymotor olyan, mint a másik. Hát nem!

A belső égésű motorral hajtott autók műszaki adatsorai szinte kivétel nélkül hosszan taglalják a motor adatait. Természetesen olvashatjuk benne, hogy benzines vagy dízel, hány hengeres, hengerenként hány szelepes, mennyi a furata és a lökete, és így tovább. Érdekes módon az elektromos autók és a hibridek elektromos hajtását taglaló adatsorok nem ennyire részletesek. Jó, a teljesítményről és a nyomatékról megemlékeznek, de ezen kívül jó, ha az kiderül, szinkron, vagy aszinkron elektromotor forgatja a kerekeket.

Holott nagyon nem mindegy, mert a különböző rendszerű elektromotorok eltérően is működnek, amit persze a mérnökök megpróbálnak úgy az autó igényeihez illeszteni, amint motorkarakterisztika hangolásával (főként a turbófeltöltős motoroknál) és az erőátviteli rendszer méretezésével a belső égésű motorokat. A cél az, hogy a felhasználó amennyire lehet, csak az előnyöket élvezze. Ám ettől maguk a motorok még eltérnek egymástól, ami például a hatásfokra és ezen keresztül az elérhető hatótávolságra is kihat. Hiszen aki jobb hatásfokú, azaz lényegében kevesebbet fogyasztó villanymotort épít be, az ugyanakkora áramtároló képességű akkumulátorral nagyobb távolságra juttathatja el az adott autót.

Kezdjük talán mégis az elején, azzal, hogy alapvetően kétféle áramot tartunk nyilván. A váltakozóáramot és az egyenáramot. Az előbbi jön a fali konnektorból, és ezt azért teheti meg, mert a váltakozóáram egyik nagy előnye, hogy könnyen továbbítható. Apró hibája azonban, hogy tárolni nem lehet, arra az egyenáram alkalmas. Ennek megfelelően minden akkumulátor, legyen az ólmos-savas, nikkel-fémhidrid, vagy lítiumion kizárólag egyenáramot képes tárolni. Ebből logikusan következne, hogy akkor az áramukkal táplált motoroknak is egyenáramúaknak kell lenniük.

Ez így is volt régebben, a korai elektromos autókat kizárólag a távirányítós játékautókból is ismerős egyenáramú motorokkal hajtották. Már csak azért is, mert létezik olyan kialakítású belőle (un. soros gerjesztésű), amelyik autóhajtás szempontjából ideálisan adja le a nyomatékát. Kis fordulaton nagy nyomatékot állít elő, ami a fordulatszám, azaz a sebesség növekedésével nagyjából egyenletesen csökken. Emiatt nincs szükség sebességváltóra, amivel éppúgy nagy örömet okozott a hőskor hölgyvezetői számára, minthogy kurblizásra sem volt szükség.

Az egyenáramú motoroknak azonban jelentős hátrányai is vannak. Általában azonos teljesítmény mellett nagyobbak és nehezebbek, mint a váltakozóáramú motorok, gyengébb a a hatásfokuk, és például a soros gerjesztésű egyenáramú motorral nehézkesebb megoldani a visszatáplálást. És akkor még nem is említettük a nagyobb karbantartási igényt, amit a kommutátor nevű alkatrész okoz. Ez a forgórész tengelyén egy fémszeletekből álló érintkező, amire két szénből, vagy bronzból készült tömb támaszkodik. Utóbbiakat forgó érintkező folyamatosan csiszolja, reszeli. Emiatt elkopnak, ráadásul a szikrázás is előfordulhat. Ennek ellenére természetesen ma is találunk autóinkban egyenáramú motorokat, ilyen az indítómotor, az ablaktörlő, az ablakemelő, vagy az ülésmozgató mechanizmus motorja. Csakhogy ezek sokkal kisebbek, és mivel az autó 12 voltos akkumulátora egyenáramot szolgáltat, ezért külön áramátalakítókat kellene beépíteni, ha váltakozóáramúra szeretnénk cserélni őket, ami jóval drágább megoldás lenne.

Ugyanakkor a váltakozóáramú motorok már régóta ott álltak az ember szolgálatában. Az ipari szerszámgépekben (eszterga és társai) nem is találunk más. Egyszerű felépítésűek, viszonylag olcsón előállíthatóak voltak és a hatásfokukkal sem volt gond. Gondoltak is rá, hogy jó lenne járműhajtásra bevetni őket, csakhogy vezérlésük és az akkumulátor egyenáramának megfelelő váltakozóárammá alakítása sokáig megoldhatatlan feladat elé állította a szakembereket.

Egészen addig, amíg az elektronikai ipar el nem érte azt a fejlettségi fokot, hogy megvalósíthatóvá, és ami legalább ilyen fontos, anyagilag elérhetővé nem tette az egyenáram megfelelő váltakozóárammá alakítását. Technikailag ugyanis már a múlt évszázad hetvenes éveiben készültek kísérleti járművek váltakozóáramú elektromos hajtással, de gazdaságossá és így tömegesen gyárthatóvá csak lényegében az elmúlt évtizedben váltak.

Az egyik legegyszerűbb, autókba beépített váltakozóáramú elektromotor felépítését tekintve azonos a szerszámgépekben alkalmazott motorral. Háromfázisú aszinkronmotornak hívják, de emlegetik indukciós motor néven is. A többi villanymotorhoz hasonlóan alapvetően négy fő alkatrészből áll. Egy csőhöz hasonlító, rézhuzalból készült tekercseket tartalmazó állórészből, egy forgórészből, és két fedélből, amiben a csapágyak találhatók. Egyszerűségét forgórészének felépítése adja, ami egy valamilyen áramot vezetni képes anyagból, alumíniumból, vagy rézből készült, a mókuskerékhez hasonló kalickából, és annak a réseit kitöltő, lágyvas lemezekből álló úgynevezett vasmag adja.

Ennyi az egész, a motor működése pedig nagyon leegyszerűsítve azon alapul, hogy az állórészben a benne lüktető háromfázisú váltakozó áramtól forgó mágneses tér jön létre. Ez áramot gerjeszt (indukál) a mókuskerékben, ami kölcsönhatásba lép a forgó mágneses térrel, aminek hatására a forgórész is elkezd forogni. A működés feltétele, hogy a forgórész fordulatszáma elmaradjon az állórész mágnesmezejének fordulatszámától, vagyis ne legyen szinkronban vele, ezért is hívják aszinkron motornak.

A háromfázisú, kalickás aszinkron motor előnye az egyszerű felépítés, a már az első fordulattól kezdve nagy nyomaték (ezért esetében sem kell sebességváltó), jó fordulatszám-szabályozhatóság, túlterhelhetőség, és a 85 és 97 százalék közötti hatásfok teljes terhelésnél. Hátránya viszont, hogy kis fordulaton gyengébb a hatásfoka (akár 70 százalék alá is csökkenhet), melegedésre hajlamos a forgórész, és hogy a fordulatszám növekedésével, főként a felső egyharmadban a többi motorénál meredekebben esik a forgatónyomatéka. Visszatápláló fékezésre azonban ez is alkalmas, ezért több márka használja előszeretettel. Ilyen motort találunk például az Audi e-tronban és e-tron Sportbackben (az e-tron GT-ben azonban nem!), a Mercedes EQC-ben, a Tesla Model S-ben és elöl az összkerékhajtású Tesla Model 3-ban.

Háromfázisú aszinkronmotorból létezik olyan is, amelynek a forgórésze tekercselt, a tekercsek vezetékét csúszógyűrűs érintkezőkhöz vezetik. A forgórészbe nem vezetnek áramot, az érintkezők csak a motor indításában (ellenállások beiktatásával) és vezérlésében játszanak szerepet. A tekercselt forgórészű aszinkronmotor előnye a kalickáshoz képest, hogy kisebb áramfelvétel mellett képes nagy indítónyomatékot kifejteni és jelentősen túlterhelhető. Hátránya azonban, hogy a csúszógyűrűnél szikrázás léphet fel, és nagyobb a karbantartásigénye a csúszógyűrű és az érintkező miatt és ráadásul a hatásfoka is kisebb. Ezen okok miatt ilyet autóba nem építenek be, korábban darukban alkalmazták, és hasonló szerkezetű a szélturbinák generátora.

A váltakozóáramú elektromotorok másik nagy családja a szinkronmotoroké. Ezek közös jellemzője, hogy a forgórészük együtt, azonos fordulatszámmal forog az állórész mágneses erőterével, ezért is hívják őket szinkronmotoroknak. Azért képesek így működni, mert a forgórészbe vagy állandó, vagy elektromágneseket építenek be és a forgó mágneses tér a vonzás és taszítás alapelve alapján ezeket kergeti körbe és körbe.

Az egyszerűbb megoldás az állandó mágneses szinkronmotor, ahol a henger alakú forgórészbe nagy erejű mágneseket építenek. Ezek előnye a kimagasló hatásfok (meghaladja a 94 százalékot), a fékezés-lassítás során egyszerű és erőteljes visszatáplálás (mindezt úgy, hogy nem igényel külső gerjesztést, azaz árambevezetést). A nagy teljesítménysűrűség (a nagy teljesítmény kis mérettel és tömeggel párosul, akár 1,5 kW (2 LE)/kg), az alacsony hőfejlődés (jó a hatásfok!), a kis nyomatékhullámzás, azaz egy fordulaton is egyenletes nyomaték-leadás, és az olcsó karbantartás (lényegében nem igényli).

Ennyi előnnyel nem csoda, hogy az autókban ez a legszélesebb körben alkalmazott elektromotor-fajta. Ilyet találunk mások mellett az Audi e-tron GT-ben, a BMW i3-ban, az elektromos Citroënekben és DS-ekben, az új Fiat 500e-ben, a Hyundai és a Kia elektromos autóiban és hibridjeiben, a Nissan Leafben, az Opel Corsa-e-ben, a Peugeot e-208-ban, a Porsche Taycanban, a Tesla Model 3-asban hátul, a VW ID.3-ban, és a Toyota korábbi hibridhajtásaiban is.

A széleskörű alkalmazás azonban nem jelenti azt, hogy az állandó mágneses elektromotornak ne lennének hátrányai. Ilyen például, hogy nagyon nagy fordulaton romlik a hatásfoka, ezért van olyan gyártó, amely kétfokozatú sebességváltót alkalmaz hozzá. E mellett felettébb komplikált a vezérlése, ezért minden gyár számára komoly kihívás a nagy teljesítményű vezérlőelektronika kidolgozása, méretének és tömegének csökkentése. Ennél nagyobb baj, hogy a forgórész különösen erős mágnesei úgynevezett ritka földfémekből (például neodímium, szamárium) készülnek, amelyeknek az elérhetősége korlátozott, az áruk pedig emiatt magas.

Emiatt szinte adja magát a megoldás, hogy a drága állandó mágneseket elektronmágnessel váltsák ki, ezek a tekercselt forgórészű, vagy csúszógyűrűs szinkronmotorok. Mint a nevükből is adódik, ezek annyiban különböznek az állandó mágneses szinkron motoroktól, hogy forgórészük tekercsekből áll, amit két csúszógyűrűn keresztül táplálnak meg. Elegendő a két csúszógyűrű, mert (ellentétben a tekercselt forgórészű aszinkron motorral) a forgórészbe egyenáramot vezetnek egy pozitív és negatív pólussal, ami megfelelő megoldás az elektromágnesek működtetéséhez.

A tekercselt forgórészű szinkronmotorok további előnye az állandó mágneses szinkronmotorokhoz képest azon túl, hogy olcsóbbak, mint az állandó mágnesesek, mert nem kell hozzájuk drága mágnes alapanyag, az is, hogy nagy fordulaton jobban megőrzik a nyomatékukat, ami azonos árambevezetés mellett még nagyobb is lehet. Hátránya viszont a csúszógyűrű, ami időszakonkénti ellenőrzést és kopás esetén karbantartást igényel. Előnyei miatt több autógyár is alkalmazza, ilyen motor hajtja a például a BMW iX3-at és a Renault Zoét is.

Létezik azonban egy harmadik fajta háromfázisú szinkron elektromotor, amit inkább csak kis méretekben alkalmaznak, autó hajtására eddig nem vetették be. Holott a tulajdonságai kiválóak. Mindenekelőtt kiváló a hatásfoka, és azt nagy fordulatszámon is megtartja. (Általában véve egy akár 97 százalékos csúcshatásfokú elektromotor hatásfoka a kedvezőtlenebb üzemi tartományokban könnyen leeshet akár 82 százalékra is, ami súlyos kilométereket jelenthet a hatótávolság szempontjából.) Nincs áram a forgórészben, nagy az indítónyomatéka, nagy fordulaton sem romlik a hatásfoka, nincs hozzá szükség ritkaföldfém mágnesekre, és tekercselni sem kell a forgórészét.

Olcsó és egyszerű szerkezet, elsősorban a forgórésze miatt, ami alapesetben leginkább talán egy hosszú, kevés fogú fogaskerékre emlékeztet. Vagy kicsit olyan, mint a háromfázisú kalickás aszinkronmotor forgórésze, amiből kifelejtették a mókuskereket, és csak a vasmagot hagyták meg. Egy másik lehetőség a forgórész kialakítására, hogy a vaslemezekből összeállított, tömör henger forgórészbe hosszirányban íves üregeket képeznek ki. Ennek gyártása sem túl bonyolult.

Ezt a motort reluktanciamotornak nevezik, mert a működése a mágneses ellenálláson (reluktancia), illetve annak különbségén alapul. Amikor ugyanis a reluktanciamotor állórészének tekercseibe háromfázisú áramot vezetünk, és kialakul a mágneses tér, akkor a forgórészben az egyik irányban jobb mágneses vezetőképesség alakul ki, ami forgatónyomatékot hoz létre. És, mivel a mágneses tér forog, ezért a forgórész is forogni kezd, mégpedig a mágneses tér forgási sebességével azonos fordulatszámmal. (Szinkronmotor.)

Természetesen a szinkron reluktanciamotornak is vannak hátrányai, a legnagyobb talán az, hogy például az állandó mágneses motorokhoz képes nagyobb méretű és tömegű teljesítmény-elektronikára van szükség a táplálásukhoz. Ezt a problémát azzal próbálják áthidalni, hogy a forgórészbe előre kiszámított módon kisebb méretű állandó mágneseket építenek be. Vagyis ez egyfajta öszvér, amely az állandó mágneses- és a reluktancia-szinkronmotorok előnyeit egyesíti, ennek megfelelően mágnessel támogatott szinkron reluktanciamotornak nevezik. És ilyet már találunk autóban, ilyen dolgozik a legújabb Toyota Priusban és ilyen hajtja a Tesla Model 3-as hátsó kerekeit. Mindkét gyártó motorja hengeres forgórészű, belső üregekkel.

Hátul tehát mágnessel támogatott szinkron reluktanciamotor dolgozik a Tesla Model 3-ban, míg elöl kalickás aszinkronmotor. Miért nem ugyanolyan? A gondot az állandó mágnesek okozzák. Mégpedig az az egyébként hasznos szokásuk, hogy ha bármilyen áramot vezetni képes anyag, különösképpen rézhuzal közelében mozgatjuk, óhatatlanul áramot gerjeszt (indukál) az illető anyagban. Ezért ha egy – tengelykapcsolóval nem leválasztható - állandó mágneses szinkronmotorral hajtott autót vontatni kezdünk (szigorúan tilos!), a motor áramot fog gerjeszteni, mégpedig akkorát, amit az autó rendszere nem feltétlenül képes kezelni.

A probléma a többi elektromotor esetében is fennáll, de nem akkora mértékben, ezzel együtt elektromos autót és teljes hibridet csak tréleren szabad szállítani. A háromfázisú aszinkronmotor esetében is kisebb ez a gond, ezért kapott előre ilyet az összkerékhajtású Tesla Motor 3-as. Hiszen hátul állandóan hajt, így viszont elöl veszélytelenebbül lehet csökkenteni a motor teljesítményét. Összkerékhajtású járművek esetében egyébként gyakori az aszinkron motor alkalmazása, gondoljunk csak az Audi e-tronra, vagy a Mercedes EQC-re, csakhogy ott mindkét motor, az első és a hátsó is aszinkron rendszerű.

Ezzel együtt a probléma nem feloldhatatlan, csak sokkal komolyabb szabályozást kíván meg. De, hogy megoldható, arra példa a Porsche Taycan és a vele lényegében megegyező hajtástechnikát felvonultató Audi e-tron GT esete. Mindkettőben elöl és hátul egyaránt állandó mágneses szinkronmotorok hajtják a kerekeket. Talán a Teslánál úgy gondolták, minek bonyolítani a helyzetet, ha egyszerűen is megoldható.

Források: Dr. Hörömpöly Imre, Dr. Kurutz Károly: Különleges autómotorok, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch (Járműtechnikai kézikönyv, 28. kiadás), http://www.mee.hu/files/images/5/Szamel_Laszlo-Kapcsolt_reluktancia.pdf