Elektromotory – Synchronní vládne

Z minulosti jsme zvyklí dělit motory na zážehové a vznětové, elektrická budoucnost to ale mění. Technicky založení lidé budou nyní pravděpodobně řešit, zda kupují synchronní nebo asynchronní elektromotor. Jak se liší? 

Pokud vezmeme elektromotor jako celek, pak existují dvě základní skupiny: motory využívající stejnosměrný proud (DC) a motory pracující na proud střídavý (AC). První jmenovaný se hojně používal v minulosti. Tento typ byste našli také u českých elektrických průkopníků EMA 1, Škoda Shortcut nebo Škoda Eltra. Výhodou je snadná regulace, stejnosměrný motor je ale konstrukčně složitější, náročnější na údržbu a není tak efektivní.

AC motory se dostaly do automobilové praxe později kvůli nutnosti využití takzvaného měniče (invertoru). Ten mění stejnosměrný proud dodávaný trakčním akumulátorem na střídavý a zároveň zajišťuje regulaci elektromotoru. Vývoj této konkrétní části elektrického pohonu dospěl do dobře použitelné fáze až relativně nedávno. Každopádně v dnes prodávaných elektromobilech najdete výhradně střídavý motor. Kromě vyšší účinnosti je výhodou kompaktnější stavba a tím pádem nižší hmotnost.

Střídavé elektromotory se dále dělí na synchronní a asynchronní. Právě tato dvě slova nás budou v době elektrické provázet velmi často. Využití totiž nacházejí oba typy. Synchronní je ovšem daleko častější. Proč? „Synchronní motor s permanentními magnety dosahuje v porovnání s asynchronním obecně vyšší účinnosti. To znamená, že je schopen v širokém rozsahu otáček přeměnit větší část energie z akumulátoru na mechanickou energii, a tím se méně energie přemění ve ztrátové teplo,“ vysvětluje Aleš Jäger, člen vývojového oddělení Škoda Auto zodpovědného za vývoj elektroniky agregátů a podvozku. Vyšší účinnost se týká i rekuperace. Také v tomto směru je synchronní motor lepší. Pokud ovšem hlouběji zabřednete do teorie, zjistíte, že to s účinností není tak jednoduché. Pravda, dosahuje zhruba 95 %, ovšem v nižších otáčkách. Asynchronní motor naproti tomu nabízí nepatrně nižší účinnost (93 %), ale ve vyšších otáčkách. Proto ho také najdeme spíše u větších elektromobilů, kde lze předpokládat častější jízdu po dálnici, jako je Audi e-tron nebo Mercedes-Benz EQC. I když dnes už existují cesty, jak účinnost ve vyšších otáčkách u synchronních motorů vylepšit.

Výhodou synchronního elektromotoru může být i jeho ostřejší charakteristika s rychlejším nástupem točivého momentu a dobré tepelné vlastnosti, díky kterým je schopný dlouhodobě podávat opakované vysoké výkony napříč celým otáčkovým spektrem. Právě toto je odpověď na otázku, proč Audi e-tron pracuje s asynchronními motory, zatímco nový e-tron GT má motory synchronní. Respektive proč i ty nejvýkonnější elektromobily dávají přednost synchronním motorům.

Velkým problémem je ovšem přítomnost vzácných kovů v podobě magnetů na rotorech, což zvyšuje cenu a budí otázky nad ekologickým přínosem. Asynchronní motory nic takového nepotřebují a jsou tudíž levnější. Nezanedbatelný je také fakt, že když řidič sundá nohu z pedálu „plynu“, tyto motory běží zcela naprázdno a nespotřebovávají elektrickou energii. To spolu s nižší pořizovací cenou a lepší odolností vůči krátkodobému přetížení uvádí Škoda jako hlavní důvod, proč Enyaq iV ve verzi s pohonem všech kol využívá vzadu synchronní a vpředu asynchronní motor.

Řešení s permanentními magnety je suverénně nejrozšířenější, ale existují i jiné druhy synchronního motoru. Jedním z nich je konstrukce s vinutím na rotoru. Do něj je směřován elektrický proud, a tím vzniká točivé magnetické pole. Odpadá potřeba drahých magnetů, zároveň se ale musí využít choulostivé sběrné kroužky a kartáče/kluzáky, což dle teorie znamená omezení nejvyšších otáček a nižší životnost. Systém ovšem může měnit magnetické pole na rotoru. U motorů s permanentními neodymovými magnety totiž s rostoucími otáčkami vznikají ztráty způsobené vířivými proudy a indukovaným napětím. Proto nejsou ve vysokých otáčkách, potažmo rychlostech tak efektivní. U motorů s vinutím na rotoru toto díky možnosti regulace magnetického pole odpadá. Zmíněné ztráty se ovšem dají odstranit také využitím magnetů feritových.

Elektromotory s vinutím na rotoru využívá třeba Renault Zoe a nedávno na něj s příchodem nejnovější generace elektrické techniky eDrive vsadilo BMW. Mnichovská automobilka takový krok zdůvodňuje absencí vzácných kovů pro magnetické komponenty, na kterých je tím pádem zcela nezávislá. Další vývoj navíc zjevně eliminoval původní teoretické nevýhody týkající se otáček limitovaných právě cívkami na rotoru a přítomností sběrných kroužků. Automobilka říká, že tento nový elektromotor zvládne až 17 000 min^-1. U Renaultu Zoe to je maximálně 11 300 min^-1.

Mezi synchronní motory je řazen rovněž takzvaný „reluktanční“ motor. Jeho princip fungování je založen na magnetickém odporu (reluktanci). Zásadní výhodou je jednoduchost konstrukce, kdy rotor neobsahuje ani drahé kovy, ani vinutí. Některé automobilky, jako například Tesla nebo BMW u starších modelů i3 a i8, spojily dohromady reluktanční a synchronní elektromotor s permanentními magnety, čímž vznikla hybridní konstrukce (Hybrid Synchronous Motor) nabízející vysokou účinnost napříč celým spektrem otáček. Je to dáno skutečností, že se permanentní magnety na rotoru chovají vůči otáčejícímu se magnetickému poli statoru jinak než síly vznikající na rotoru díky bariérám a využití magnetického odporu. Jinak řečeno, tento druh elektrického motoru využívá při nízkých otáčkách více efektu permanentních magnetů, zatímco ve vyšších rychlostech začne využívat principu reluktančního motoru, což znamená nižší ztráty způsobené permanentními magnety.

U aktuálně méně častých asynchronních motorů se v automobilové praxi setkáte s klecovým rotorem. Má ho i zmíněná Škoda Enyaq iV ve verzi s pohonem všech kol. Základem rotoru je klec vyrobená z lišt na obou koncích spojených prstenci (takzvaná kotva nakrátko). Pro výrobu se používá hliník nebo měď. Lišty bývají umístěné ­našikmo, protože pak má rotor jemnější běh a je tišší. Základní charakteristika asynchronního motoru s klecí nakrátko vykazuje relativně nízký točivý moment při nízkých otáčkách. Tento problém částečně řeší konstrukce rotoru, kdy je místo tyčí kruhového průřezu využíváno hranatých lamel. Dochází tak ke zvýšení odporu na rotoru, a tedy ke zvýšení točivého momentu.

Teoretické předpoklady jsou jedna věc, praxe u prodávaných automobilů ale ukazuje, že možné je de facto všechno. Pokud se výrobců zeptáte, proč právě jejich vůz má synchronní, respektive asynchronní motor, případně kombinaci obou, vždy se najde dost důvodů, proč je takové řešení vhodné. Využívaných koncepcí je proto řada.

Z pohledu teoretické účinnosti je zřejmě nejlepší synchronní motor s permanentními magnety, musí ale být vpředu i vzadu. Kromě jiných je takto řešen Jaguar I-Pace nebo Porsche Taycan. Díky přenosu hmotnosti totiž poskytne motor vzadu lepší trakci při akceleraci, motor vpředu zase dokáže díky většímu zatížení přední nápravy při zpomalování lépe rekuperovat, aniž by došlo k zablokování kol. Zmíněné řešení je ale logicky nejdražší. U levnějších elektromobilů se proto setkáme jen s jedním elektromotorem.

Jak už bylo řečeno, koncern Volkswagen nabízí kombinaci synchronního motoru vzadu a asynchronního vpředu, kdy pro pohon samotný slouží především zadní motor. Podobně je na tom také Mercedes-Benz EQA. Ten je ale v základu „předokolkou“ využívající po vzoru většího EQC asynchronní motor (motory nejsou stejné). Provedení 4Matic ovšem dostane dozadu synchronní motor. Podle informací Mercedesu bude zadní synchronní motor sloužit pro nízké a střední zatížení, přední se připojí při potřebě větší akcelerace.

Elektrická technika pak dává zajímavé možnosti kombinací i v rámci jednoho typu vozu. Například Audi e-tron pracuje s větším asynchronním motorem vzadu a menším vpředu. Sportovnější Audi e-tron S naopak využívá větší zadní motor slabších variant na přední nápravě a vzadu pracuje s dvojicí původně předních motorů. Mimochodem, dva motory na zadní nápravě měla i EMA 1 z konce 60. let. Výkon každého byl ovšem 2 kW. Absolutním extrémem pak je Rimac C_Two, využívající pro pohon každého kola jeden vodou chlazený synchronní elektromotor s permanentními magnety. Celkové parametry systému jsou 1408 kW (1914 k) a 2300 N.m. Ano, i to je dnes možné.

Převzato z časopisu