Elektromotor s axiálním magnetickým tokem – Revoluce ve světě elektromobilů?

Svět elektromobilů by mohl v dohledné době změnit typ elektromotoru, jenž zatím stál stranou. Říká se mu elektromotor s axiálním magnetickým tokem. Vsadily na něj značky jako Koenigsegg, Ferrari, McLaren nebo Mercedes-Benz, ale počítá s ním také Renault. 

Podobně jako elektromobilita samotná, není ani elektromotor s axiálním magnetickým tokem (anglicky Axial Flux Electric Motor, někdy označován jako AFPM) jako takový žádnou žhavou novinkou. Motor pracující na tomto principu byl postaven už v devatenáctém století, jenže svět dlouho neznal technologie, jež by umožňovaly jeho masovější použití. Omezení v oblasti materiálů nedávalo tomuto typu výhody oproti podstatně rozšířenějšímu elektromotoru s radiálním magnetickým tokem. Problémem byly například permanentní magnety na rotoru, velké síly, jež na ně působí, vysoké provozní teploty, a nakonec i konstrukce vinutí na statoru. Jenže svět se mění a týká se to i této oblasti technického vývoje. Z dnešního pohledu vypadá elektromotor s axiálním magnetickým tokem jako něco, co má značný potenciál nejen v automobilové dopravě, ale také třeba u lodí a letadel.

Drtivá většina dnešních elektromobilů používá motory s radiálním magnetickým tokem. V tomto případě vzniká na statoru točivé magnetické pole, přičemž magnetický tok je kolmý na osu otáčení. Rotor se otáčí spolu s magnetickým polem. U rozšířenějších synchronních elektromotorů odpovídají otáčky rotoru otáčkám magnetického pole na statoru. Odtud pramení označení „synchronní“.

U elektromotorů s axiálním magnetickým tokem je ale princip trochu odlišný. Magnetický tok na statoru je paralelní s osou otáčení a to, co otáčí rotorem, jsou magnetické síly mezi cívkami na statoru (nebo statorech) a permanentními magnety na rotoru (případně rotorech). Tento princip umožňuje velmi odlišné uspořádání oproti klasickým elektromotorům, a z toho následně plynou zajímavé přednosti.

Zatímco tradiční elektromotory mají obvykle rotor umístěný uvnitř statoru, mají tvar válce a jsou poměrně dlouhé, motor s axiálním tokem dává větší možnosti co do uspořádání. Zjednodušeně řečeno jde o sestavu minimálně dvou disků, ale může jich být i více. Proto se těmto elektromotorům někdy také říká „diskové“. Existují aplikace, v nichž je umístěn vedle statoru jeden rotor, ale také jeden stator mezi dvěma rotory, jeden rotor mezi dvěma statory nebo kupříkladu motor se dvěma statory a třemi rotory. Mezi automobily se v současnosti prosadilo především řešení s jedním statorem umístěným mezi dvěma rotory.

V každém případě platí, že rotor může mít větší průměr než u rozšířených motorů s radiálním magnetickým tokem, z čehož pramenní první zásadní výhoda – při stejném množství materiálu lze takto dosáhnout většího točivého momentu. Magnetický tok je obecně u těchto elektromotorů rovněž větší, což opět zvyšuje točivý moment. Takto řešené motory proto mohou být při stejných parametrech jako motory s radiálním magnetickým polem kompaktnější, nepotřebují tolik vzácných kovů (magnetů), což snižuje cenu, respektive mohou při stejné hmotnosti nabízet lepší parametry. Zároveň vykazují účinnost až 98 %.

V současném automobilovém průmyslu je zatím používáno především řešení britské společnosti Yasa. Za tímto jménem stojí Tim Woolmer, jenž v roce 2008 zkonstruoval v rámci svých studií na Oxfordu první funkční prototyp. Netrvalo dlouho a tohoto řešení si všimla první automobilka. Jaguar v roce 2010 představil koncept C-X75; mělo jít o moderní supersport navazující na XJ220. Původní předpoklady hovořily o pohonu s dvěma malými turbínami a čtyřmi elektromotory s axiálním magnetickým tokem, umístěnými v blízkosti kol. Ty měla dodat právě Yasa. O rok později byly plány redukovány na méně ambiciózní uspořádání se závodním přeplňovaným čtyřválcem o objemu 1,6 l a dvěma elektromotory tohoto typu, aby nakonec v roce 2012 Jaguar celý projekt zrušil.

První automobilkou, jež elektromotory Yasa použila pro svůj automobil, tak byl nakonec Koenigsegg u typu Regera. Ten pracuje s dvojicí motorů Yasa 750 sloužících pro pohon zadních kol a jedním elektromotorem Yasa 400 umístěným u spalovacího motoru. Jeho funkcí je nejen pomoc s pohonem, ale také generování elektrické energie a zároveň startování spalovací jednotky. V současnosti tento typ elektromotoru najdeme také u značky Ferrari (SF90, 296 GTB) nebo McLarenu (Artura). Další automobily budou zcela určitě následovat.

Samotná společnost Yasa uvádí, že tento typ elektromotorů může být až čtyřikrát výkonnější oproti konvenčnímu řešení, o 50 % lehčí a poloviční, co se rozměrů týká. Jako další přednost je uváděna rovněž výroba. Ta byla paradoxně dříve považována za ­nevýhodu. U dnešních řešení však stator obvykle nemá žádné složité vinutí, ale je složen z několika stejných cívek. Tento způsob sice klade velké nároky na montáž, nicméně modulární stavba jako taková produkci zjednodušuje a zlevňuje.

Pro představu, výkonnější elektromotor Yasa 750 R je schopný vyprodukovat až 200 kW (272 k) a 790 N.m, průměr má ale jen 37 cm, vysoký je necelých 10 cm a váží 37 kg. Určitou nevýhodou jsou ve srovnání s radiálními elektromotory poměrně nízké maximální otáčky. Zatímco synchronní elektromotor používaný na platformě Volkswagen MEB zvládne až 16 000 min^-1 (a jiné elektromotory točí klidně 20 000 min-1), v případě použití třeba u McLarenu Artura je maximem 8500 min^-1. Mimochodem, společnost Yasa vyvinula v roce 2017 elektromotor určený speciálně pro Ferrari SF90. Tento motor produkuje 280 N.m a váží pouze 12 kg. Italský výrobce údajně tehdy nenašel žádnou jinou společnost, jež by byla schopná vyrobit agregát splňující její požadavky. U McLarenu Artura váží elektromotor 15,4 kg a jeho poměr výkonu k hmotnosti (4,6 kW/kg) je o 33 % lepší než v případě elektromotoru použitého u typu McLaren P1.

Samotná společnost Yasa vyrábějící tyto motory má budoucnost už zřejmě definitivně zajištěnou. Její výrobní kapacita v současnosti činí 100 000 motorů ročně, ale to se během pár let změní. V polovině roku 2021 totiž celou britskou společnost koupila automobilka Mercedes-Benz. Ta počítá s větším nasazením elektromotorů s axiálním magnetickým tokem primárně u chystaných elektromobilů divize AMG, jež vyjedou na nově vyvinuté platformě AMG.EA. První takový vůz by měl být představen za dva roky.

Nejde ale jen o prémiové značky a supersportovní automobily. V prosinci 2021 oznámila automobilka Renault, že získala podíl 21 % ve francouzském start-upu Whylot. Také ten se zabývá tímto typem elektromotoru, ale zvolil opačné řešení než společnost Yasa. Zde je tedy umístěn jeden rotor uprostřed dvou statorů. Princip a výhody jsou ale v zásadě stejné, přestože u francouzské automobilky nejde o vysoké parametry v kontextu malých rozměrů, ale o cenu. Dvojnásobné buzení na rotoru díky dvojici statorů znamená méně permanentních magnetů na rotoru při zachování stejných parametrů, a tedy nižší spotřebu vzácných kovů a v konečném důsledku nižší výrobní náklady.

Už teď je ale jisté, že tímto vývoj nekončí. Jakkoliv lákavě AFPM motor vypadá, některé společnosti v současnosti pracují na dalších zlepšeních a jedno takové už stihl ­Koenigsegg dokonce převést do praxe. Před časem totiž představil elektromotor označovaný jako Quark, nasazený pro typ Gemera. Švédský výrobce uvádí, že tento motor spojuje přednosti elektromotorů s axiálním i radiálním magnetickým tokem do jednoho. Proto také tuto novinku označuje jako „Raxial Flux Electric Motor“. ­Bohužel přesné technické detaily o principu fungování této konstrukce automobilka ­nezveřejnila. Oficiální informace označují elektromotor Quark za motor s nejlepším poměrem výkonu k hmotnosti v současnosti. Váží jen 30 kg, ale jeho parametry jsou 250 kW (340 k) a 600 N.m. Pro ­kontext, zadní jednotka Škody Enyaq iV (včetně převodového mechanismu) váží 89,4 kg při parametrech 150 kW (204 k) a 310 N.m a je násobně větší.

Do projektu kombinování výhod obou typů elektromotorů se pustila také společnost Linear Labs. Její řešení se jmenuje Hunstable Electric Turbine (HET), přičemž obsahuje jeden stator a čtyři rotory. Dva rotory pracují s radiálním magnetickým tokem a dva s axiálním. Výsledkem má být třikrát větší točivý moment a dvojnásobný výkon oproti konvenčním řešením při zachování stejné hmotnosti. Tento poměrně komplikovaný elektromotor se ale zatím prosadil u elektrických skútrů a koloběžek. ■

Převzato z časopisu

Fotogalerie