Ηλεκτροκινητήρες: Οι αφανείς ήρωες που συνεχώς βελτιώνονται

Στις αρχές Ιουνίου η Mercedes-Benz ανακοίνωνε ότι ξεκίνησε τη μεγάλης κλίμακας παραγωγή του νέου της ηλεκτροκινητήρα αξονικής ροής (axial flux motor) που τοποθετείται στο ηλεκτρικό της υπερόπλο, τη νέα Mercedes AMG GT 4-Door Coupe που αποκαλύφθηκε επισήμως τον Μάιο. Και επειδή ο όρος της αξονικής μαγνητικής ροής μπορεί να σας είναι ξένος να πούμε ότι το πρακτικό αποτέλεσμα αυτής της τεχνολογίας είναι αφενός 0-100 km/h σε μόλις 2,1 sec και αφετέρου τελική ταχύτητα 300 km/h, τα οποία προκύπτουν με τη βοήθεια των 1.169 PS, οι οποίοι αποδίδονται από τρεις axial flux ηλεκτροκινητήρες.

Μια εικόνα, χίλιες λέξεις: ο ηλεκτροκινητήρας αξονικής ροής της Yasa (Mercedes) αποδίδει τετραπλάσια ροπή και διπλάσια ισχύ σε σχέση με έναν ίδιου όγκου ηλεκτροκινητήρα ακτινικής ροής. Παράλληλα είναι και κατά 50% ελαφρύτερος και έχει το 20% του πάχους του. Σημειώστε ότι η YASA (Yokeless and Segmented Armature: Στάτης χωρίς σιδηρομαγνητικό δακτύλιο [yoke] και με τμηματοποιημένο οπλισμό) ιδρύθηκε το 2009 ως spin-off του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης.

Και πάλι βέβαια θα μπορούσε να πει κανείς ότι και εδώ δεν υπάρχει τίποτε παράξενο. Ωστόσο αν γίνει και η διευκρίνηση πως έχουμε να κάνουμε με τρεις μονάδες ισχύος που έχουν περίπου το μέγεθος ενός δίσκου βινυλίου και το πάχος τους δεν ξεπερνά τα 10 cm, τότε το πράγμα αλλάζει. Η φωτογραφία δε που δείχνει τον Michael Schiebe, μέλος του Δ.Σ. του Mercedes-Benz Group AG (Υπεύθυνο για την παραγωγή, την ποιότητα και την εφοδιαστική αλυσίδα), να ποζάρει στο εργοστάσιο Marienfelde, εμπρός από έναν τέτοιο κινητήρα είναι άκρως κατατοπιστική: Γίνεται προφανές ότι έχουμε να κάνουμε με μια εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα ισχύος.

MUST READ

Αλλάζει το «παιχνίδι» της τετρακίνησης στα EVs - Βγαίνουν οι ηλεκτροκινητήρες από τον άξονα και μπαίνουν στους τροχούς

Η περίπτωση όμως του κινητήρα της Mercedes δεν είναι η μοναδική καινοτομία που συναντάμε στην πολύ πρόσφατη ιστορία της ηλεκτροκίνησης. Πριν από περίπου ενάμιση χρόνο είχαμε βρεθεί στο εργοστάσιο της BMW στο Landshut για να παρακολουθήσουμε την παρουσίαση της νέας γενιάς του συστήματος ηλεκτροκίνησης της βαυαρικής εταιρίας (6th Gen E-Drive), συστατικό στοιχείο του οποίου αποτελεί ο βελτιωμένος ηλεκτρικά διεγερμένος (ή εξωτερικής διέγερσης) σύγχρονος ηλεκτροκινητήρας (electrically excited synchronous motor - EESM) που η BMW είχε ήδη χρησιμοποιήσει κατά την παρουσίαση της 5ης γενιάς του συστήματος.

Σύμφωνα με τη YASA, που βρίσκεται πίσω από τους ηλεκτροκινητήρες αξονικής ροής, κάθε κινητήρας της Lamborghini Temerario έχει: μέγιστη ταχύτητα περιστροφής 10.000 rpm, ισχύ 110 kW, και μέγιστη ροπή 300 Nm, ενώ το βάρος του περιορίζεται στα 17,3 kg, η διάμετρος στα 295 mm και το πάχος του στα 70 mm.

Γνωρίζοντας βέβαια εκ των προτέρων ότι εισάγουμε τεχνικούς όρους που δεν είναι από μόνοι τους κατανοητοί περνάμε στην ουσία του πράγματος. Και αυτή, στη συγκεκριμένη περίπτωση, είναι η βελτίωση της απόδοσης του συστήματος κίνησης των ηλεκτρικών BMW, η οποία στην περίπτωση των τετρακίνητων μοντέλων της Neue Klasse (που διαθέτουν ασύγχρονους ηλεκτροκινητήρες) είναι σημαντική, καθώς προκύπτει από απώλειες ενέργειας μειωμένες κατά 40% και βάρος επίσης μειωμένο ελαφρύτερο κατά 10%.

Τι εστί ηλεκτροκινητήρας

Στο σημείο αυτό είναι σίγουρο ότι χρειάζεται να ανοίξουμε μια μεγάλη παρένθεση για να κάνουμε κάποιες βασικές διευκρινήσεις. Είναι αλήθεια ότι από δομική άποψη ένας ηλεκτροκινητήρας δείχνει πολύ απλούστερος από μία μηχανή εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) – αν και στην πραγματικότητα αποτελεί ένα αρκετά σύνθετο ηλεκτρομηχανολογικό σύστημα. Από την άποψη δε της αρχής λειτουργίας εδώ είναι προφανές ότι δεν έχουμε να κάνουμε με καύση και μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε κινητική, αλλά με διαχείριση ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, με τη βοήθεια των οποίων η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική (δηλαδή σε κίνηση). Όλα αυτά με μηδενικούς ρύπους (κατά τη λειτουργία του κινητήρα) και -το κυριότερο- με απόδοση που μπορεί να ξεπεράσει το 95%, όταν οι πλέον εξελιγμένες ΜΕΚ φτάνουν το 40-45%.

Ενώ στους ακτινικής ροής (radial flux) ηλεκτροκινητήρες, που αποτελούν τον κανόνα σήμερα, η μαγνητική ροή αναπτύσσεται κάθετα προς τον άξονα περιστροφής του δρομέα, στους αξονικής ροής (axial flux) αναπτύσσεται παράλληλα προς αυτόν.

Και όχι μόνον αυτό. Οι ηλεκτροκινητήρες είναι μηχανές που έχουν τη δυνατότητα να αντιστρέφουν τη λειτουργία τους. Ενώ λοιπόν κατά την επιτάχυνση ενός αυτοκινήτου ο ηλεκτροκινητήρας καταναλώνει την ενέργεια που παραλαμβάνει από τη μπαταρία για να τη μετατρέψει σε έργο, δηλαδή σε κίνηση, κατά την επιβράδυνση αυτός ο ίδιος μπορεί να λειτουργήσει ως γεννήτρια φορτίζοντας τη μπαταρία (regenerative braking) λειτουργώντας παράλληλα και ως φρένο, που σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να έχει τη δυνατότητα ακόμα και να ακινητοποιήσει το αυτοκίνητο (κάτι που συχνά περιγράφεται ως “one pedal braking”). Ενώ λοιπόν σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο η ενέργεια του φρεναρίσματος χάνεται, σε ένα ηλεκτρικό αυτή αξιοποιείται με αποτέλεσμα την αύξηση της αυτονομίας, ιδιαίτερα κατά την οδήγηση μέσα στην πόλη.

Ολίγα για τα βασικά

Οποιονδήποτε ηλεκτροκινητήρα και να εξετάσουμε θα δούμε ότι αποτελείται από δύο βασικά μέρη: τον στάτη (stator) και τον δρομέα ή ρότορα (rotor). Ο στάτης είναι το ακίνητο τμήμα του πάνω στον οποίο βρίσκονται τα τυλίγματα χαλκού (πηνία), που όταν τροφοδοτούνται με τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα, δημιουργούν ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο (Rotating Magnetic Field – RMF). Ο δρομέας συνήθως περιβάλλεται από τον στάτη και είναι το μοναδικό κινούμενο μέρος του κινητήρα – είναι αυτό που περιστρέφεται και μας προσφέρει την ισχύ που χρειάζεται για να κινηθεί ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Η κίνηση του δρομέα προκύπτει από την αλληλεπίδρασή του με το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη – και η εξήγηση αυτών των διαδικασιών ανάγεται στις βασικές αρχές του ηλεκτρομαγνητισμού. Επειδή δε η μπαταρία ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου μπορεί να προσφέρει μόνο συνεχές ρεύμα (DC), ενώ ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί με τριφασικό εναλλασσόμενο (AC), στην όλη διαδικασία εμπλέκεται ο μετατροπέας (inverter). Πρόκειται για μια ευφυή μονάδα διαχείρισης ισχύος που δεν μετατρέπει απλώς το DC σε AC, αλλά ρυθμίζει διαρκώς τη συχνότητα, την τάση και την ένταση του ρεύματος, ελέγχοντας με ακρίβεια τη ροπή, τις στροφές και την απόκριση του κινητήρα.

Ο Michael Schiebe, μέλος του Δ.Σ. της Mercedes-Benz, με τον εξαιρετικά λεπτό ηλεκτροκινητήρα αξονικής ροής της AMG GT 4-Door Coupe.

Οι βασικοί τύποι ηλεκτροκινητήρων

Παρότι όλοι οι ηλεκτροκινητήρες βασίζονται στις ίδιες βασικές αρχές του ηλεκτρομαγνητισμού, διαφέρουν ουσιαστικά ως προς τον τρόπο δημιουργίας του μαγνητικού πεδίου στον δρομέα.

Ο σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM) αποτελεί σήμερα την επικρατέστερη επιλογή στην αυτοκινητοβιομηχανία. Διαθέτει δρομέα με ισχυρούς μόνιμους μαγνήτες, που είναι κατασκευασμένοι κυρίως από κράματα νεοδυμίου, δυσπροσίου και άλλων σπάνιων γαιών. Το μαγνητικό πεδίο είναι μόνιμα διαθέσιμο, χωρίς να απαιτείται κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για τη δημιουργία του. Έτσι ο κινητήρας επιτυγχάνει πολύ υψηλή απόδοση, ιδιαίτερα στις χαμηλές και μεσαίες στροφές, ενώ προσφέρει υψηλή ισχύ και ροπή σε περιορισμένες διαστάσεις.

Οι ηλεκτροκινητήρες της νέας Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé έχουν πάχος μόλις οκτώ έως εννέα εκατοστά, αποδεικνύοντας ότι η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική μπορεί να προσφέρει εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα ισχύος σε ιδιαίτερα περιορισμένο όγκο. Στο τελικό στάδιο συναρμολόγησης, ο στάτης τοποθετείται ανάμεσα στους δύο δίσκους του ρότορα που φέρουν τους μόνιμους μαγνήτες και συνδέεται οριστικά με αυτούς. Κατά τη συναρμολόγηση αναπτύσσονται μαγνητικές δυνάμεις έως και 9 kN (περίπου 900 kg). Την ίδια στιγμή, ο στάτης πρέπει να παραμείνει ακριβώς στο κέντρο του μαγνητικού πεδίου, με ανοχή μικρότερη από 0,1 mm. Για να επιτευχθεί αυτή η ακρίβεια, ένας καινοτόμος αλγόριθμος ελέγχου διορθώνει τη θέση των εξαρτημάτων στα τελευταία 0,5 sec της διαδικασίας, χρησιμοποιώντας παλμούς ελέγχου υψηλής συχνότητας.

Στη σημερινή, πιο εξελιγμένη μορφή του χρησιμοποιεί «εσωτερικούς» μόνιμους μαγνήτες (Interior Permanent Magnets – IPM), οι οποίοι τοποθετούνται στον πυρήνα του δρομέα αντί στην επιφάνειά του. Η διάταξη αυτή προσφέρει αυξημένη μηχανική αντοχή στις υψηλές στροφές και αξιοποιεί επιπλέον τη λεγόμενη ροπή μαγνητικής αντίστασης (reluctance torque), βελτιώνοντας την απόδοση στις υψηλές ταχύτητες περιστροφής. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται από ένα πλήθος κατασκευαστών (BYD, Hyundai, Kia, Volkswagen, Mercedes-Benz, Porsche, Lucid κλπ.)

Στον ασύγχρονο κινητήρα επαγωγής (Asynchronous Motor - ASM) - σε αντίθεση με τον PMSM - ο δρομέας δεν διαθέτει μόνιμους μαγνήτες. Αποτελείται από αγώγιμες ράβδους χαλκού ή αλουμινίου, στις οποίες το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη επάγει ηλεκτρικό ρεύμα. Το επαγόμενο αυτό ρεύμα δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο που απαιτείται για την περιστροφή του δρομέα. Ο κινητήρας χαρακτηρίζεται ως ασύγχρονος επειδή ο δρομέας περιστρέφεται με ελαφρώς μικρότερη ταχύτητα από το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο του στάτη. Η διαφορά αυτή, γνωστή ως ολίσθηση (slip), είναι απαραίτητη για τη δημιουργία της επαγωγής.

Εξειδικευμένη ομάδα τεχνικών πραγματοποιεί ποιοτικό έλεγχο σε κάθε επιμέρους εξάρτημα του ηλεκτροκινητήρα axial flow της Mercedes, στο εργοστάσιο Marienfelde, στο Βερολίνο

Το μεγάλο πλεονέκτημα της τεχνολογίας είναι ότι δεν απαιτεί μαγνήτες (και κατά συνέπεια σπάνιες γαίες), γεγονός που μειώνει το κόστος και την εξάρτηση από κρίσιμες πρώτες ύλες. Από την άλλη πλευρά, οι κινητήρες επαγωγής εμφανίζουν χαμηλότερη ενεργειακή απόδοση στις χαμηλές στροφές και μεγαλύτερες θερμικές απώλειες. Η Tesla χρησιμοποίησε αυτή την αρχιτεκτονική στις πρώτες γενιές των Model S και Model X, ενώ σε αρκετές σύγχρονες τετρακίνητες εκδόσεις εξακολουθεί να χρησιμοποιεί κινητήρα επαγωγής στον εμπρός άξονα. Κάτι που βλέπουμε να συμβαίνει και με άλλες εταιρίες (BMW και Mercedes).

Ο σύγχρονος κινητήρας ηλεκτρικής διέγερσης (Electrically Excited Synchronous Motor – EESM) έκανε σχετικά πρόσφατα την εμφάνισή του και θεωρείται ιδιαίτερα ενδιαφέρων από τεχνολογική άποψη. Εδώ ο δρομέας επίσης δεν διαθέτει μόνιμους μαγνήτες. Αντί αυτών, χρησιμοποιεί πηνία χαλκού, τα οποία τροφοδοτούνται με συνεχές ρεύμα μέσω συλλεκτικών δακτυλίων (slip rings), δημιουργώντας το απαιτούμενο μαγνητικό πεδίο το οποίο μπορεί να μεταβάλλεται συνεχώς, επιτρέποντας τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του κινητήρα.

Η συμπαγής περιέλιξη των πηνίων με αγωγούς ορθογωνικής διατομής (rectangular wire) αποτελεί μία από τις τεχνολογίες παραγωγής που ανέπτυξε η Mercedes-Benz ειδικά για τον ηλεκτροκινητήρα αξονικής ροής.

Το σημαντικότερο πλεονέκτημα είναι – και εδώ – η εξάλειψη της ανάγκης για σπάνιες γαίες. Ωστόσο, η συνεχής ηλεκτρική τροφοδότηση του δρομέα συνεπάγεται μικρή επιπλέον κατανάλωση ενέργειας, κυρίως στις χαμηλές στροφές. Η BMW εφαρμόζει αυτή την τεχνολογία στα μοντέλα i4, i5, i7 και iX.

Axial Flow

Οι κινητήρες αξονικής ροής θεωρούνται όχι απλά μια σοβαρή καινοτομία, αλλά και μια νέα, ιδιαίτερη κατηγορία ηλεκτροκινητήρων. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς κινητήρες ακτινικής ροής (radial flux motors), στους κινητήρες αξονικής ροής η ηλεκτρομαγνητική ροή αναπτύσσεται παράλληλα προς τον άξονα περιστροφής (βλ. σχετικό σχήμα). Τα βασικά εξαρτήματα είναι διατεταγμένα σε διάταξη δίσκου: δύο δρομείς (rotors) βρίσκονται εκατέρωθεν του στάτη (stator), σχηματίζοντας μια διάταξη τύπου «σάντουιτς». Η αρχιτεκτονική αυτή επιτρέπει την κατασκευή ιδιαίτερα συμπαγών κινητήρων, με υψηλή πυκνότητα ισχύος και ροπής, ενώ παράλληλα προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία στη σχεδίαση και την ενσωμάτωση του συστήματος μετάδοσης.

Υψηλής τεχνολογίας διαδικασία παραγωγής για τον κινητήρα αξονικής ροής της Mercedes: 35 νέες διεθνώς παραγωγικές διαδικασίες και περισσότερες από 30 αιτήσεις διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας.

Η Mercedes-Benz, η οποία όπως είπαμε και στην αρχή ξεκίνησε την παραγωγή τέτοιων κινητήρων βασίστηκε στην τεχνογνωσία της βρετανικής εταιρείας YASA, την οποία εξαγόρασε το 2021. Η YASA αξιοποίησε τη θεμελιώδη αρχή λειτουργίας του κινητήρα αξονικής ροής (axial flux motor) και ανέπτυξε ένα πρωτοποριακό πρωτότυπο, πάνω στο οποίο βασίζεται ο σημερινός κινητήρας. Η εξέλιξη αυτή αφορά τόσο τον ίδιο τον κινητήρα όσο και τη διαδικασία παραγωγής του, ώστε αυτός να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις της μαζικής παραγωγής αυτοκινήτων, των υψηλών επιδόσεων και της δυνατότητας συνεχούς λειτουργίας υπό υψηλό φορτίο.

Στη νέα Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé, ο ηλεκτροκινητήρας του εμπρός άξονα έχει πλάτος λίγο μικρότερο από εννέα εκατοστά, ενώ οι δύο κινητήρες του πίσω άξονα έχουν πλάτος περίπου οκτώ εκατοστά ο καθένας. Οι τρεις κινητήρες αξονικής ροής ενσωματώνονται, ανά άξονα, στις λεγόμενες High Performance Electric Drive Units (HP.EDU), όπου συνδυάζονται με ένα συμπαγές πλανητικό κιβώτιο, σε ένα ενιαίο περίβλημα.

Οι συγκολλητικές ουσίες που χρησιμοποιούνται στον ακτινικής ροής κινητήρα της Mercedes πολυμερίζονται σε υψηλές θερμοκρασίες.

Δουλεύοντας στις 30.511 στροφές

Το 2025 η γνωστή πλέον και στη χώρα μας κινεζική BYD παρουσίασε έναν νέο ηλεκτροκινητήρα που έχει τη δυνατότητα να περιστρέφεται με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα - στις 30.511 στροφές ανά λεπτό (rpm). Πρόκειται για μία από τις υψηλότερες τιμές που έχουν ανακοινωθεί για κινητήρα μαζικής παραγωγής, καθώς μέχρι πρότινος ένας ηλεκτροκινητήρας που περιστρεφόταν στις 15.000 ή 18.000 rpm θεωρούνταν ήδη τεχνολογικό επίτευγμα. Παράλληλα η Xiaomi παρουσίασε τον κινητήρα V8s, ο οποίος φτάνει τις 27.200 rpm.

Γιατί τώρα η αύξηση των στροφών είναι τόσο σημαντική; Επειδή όσο αυξάνεται η ταχύτητα περιστροφής (ω), τόσο αυξάνεται και η αποδιδόμενη ισχύς: P=T×ω (όπου T, η ροπή). Αυτός ο τύπος που μπορούμε να βρούμε σε ένα οποιοδήποτε βιβλίο φυσικής του γυμνασίου, μας αποκαλύπτει και τον άλλο τρόπο αύξηση της ισχύος – την αύξηση της ροπής, την οποία χρησιμοποιούν οι κινητήρες αξονικής ροής (αξιοποιώντας τη μεγαλύτερη διάμετρου του δρομέα τους), οι οποίοι όπως είδαμε λειτουργούν σε χαμηλότερες στροφές.

Ο ηλεκτρικά διεγερμένος κινητήρας (EESM) που η BMW χρησιμοποιεί στα 5ης και 6ης γενιάς συστήματα ηλεκτροκίνησης E-Drive. Προσέξτε το πορτοκαλί καλώδιο που τροφοδοτεί με ρεύμα τον ρότορα («συμπαγής» κύλινδρος), δημιουργώντας το απαραίτητο για τη λειτουργία του ηλεκτροκινητήρα μαγνητικό πεδίο. Στα αριστερά διακρίνεται το σύστημα μετάδοσης.

Αυξάνοντας λοιπόν τις στροφές λειτουργίας μπορούμε, από τον ίδιο (σε όγκο και βάρος) κινητήρα, να έχουμε περισσότερη ισχύ ή με άλλα λόγια ότι για την ίδια ισχύ μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μικρότερο και ελαφρύτερο κινητήρα, γεγονός που μειώνει τόσο το βάρος όσο και το κόστος του συστήματος κίνησης. Ο συγκεκριμένος κινητήρας της BYD έχει κατά 30% μικρότερο όγκο και κατά 25% μικρότερο βάρος, αποδίδει δε έως 580 kW (778 PS) ανά μονάδα και συνδυάζεται με αρχιτεκτονική 1.000 V για ταχυφόρτιση εξαιρετικά υψηλής ισχύος. Το ενδιαφέρον είναι ότι η BYD δεν τοποθέτησε αρχικά τον κινητήρα σε κάποιο supercar, αλλά σε δύο «οικογενειακά» μοντέλα της, τα Han L και Tang L, τα οποία φυσικά «απογειώθηκαν» με 0-100 km/h σε 2,7 sec.

Σημειώστε ότι η λειτουργία σε τόσο υψηλές στροφές απαιτεί εξαιρετικά ακριβή ζυγοστάθμιση, υλικά υψηλής αντοχής, καθώς οι φυγόκεντρες δυνάμεις αυξάνονται σημαντικά, και ιδιαίτερα εξελιγμένη ψύξη. Σημειώστε επίσης ότι η αύξηση των στροφών δεν θα ήταν εφικτή χωρίς σημαντικές εξελίξεις στα υλικά. Οι σύγχρονοι ηλεκτροκινητήρες χρησιμοποιούν ολοένα λεπτότερα ελάσματα πυριτιούχου χάλυβα, περιορίζοντας τις απώλειες από δινορρεύματα στις υψηλές συχνότητες λειτουργίας. Παράλληλα, η χρήση επίπεδων αγωγών χαλκού (hairpin windings) επιτρέπει μεγαλύτερη πυκνότητα πλήρωσης του στάτη, βελτιώνοντας τόσο την παραγωγή ροπής όσο και την απαγωγή θερμότητας. Η BYD, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί ιδιαίτερα λεπτά ελάσματα πάχους μόλις 0,20 χιλιοστών και μαγνήτες υψηλής θερμικής αντοχής τύπου N50EH, στοιχεία που επιτρέπουν στον κινητήρα της να διατηρεί υψηλή απόδοση ακόμη και σε ακραίες συνθήκες λειτουργίας.

Η έκτη γενιά του συστήματος κίνησης (Gen6) eDrive της BMW αξιοποιεί και μια δεύτερη τεχνολογία ηλεκτροκινητήρα, τον ασύγχρονο κινητήρα (Asynchronous Motor – ASM). Στην περίπτωση αυτή, το μαγνητικό πεδίο του ρότορα δεν δημιουργείται ούτε από μόνιμους μαγνήτες, όπως στους κινητήρες PSM, ούτε μέσω ηλεκτρικής διέγερσης, όπως στους EESM, αλλά επάγεται από το μαγνητικό πεδίο του στάτη. Ο ρότορας έχει τη μορφή κλωβού αγωγών, χωρίς τυλίγματα ή μόνιμους μαγνήτες. Η αρχιτεκτονική αυτή προσφέρει πλεονεκτήματα όπως πιο συμπαγή σχεδίαση και χαμηλότερο κόστος κατασκευής. Οι εκδόσεις του κινητήρα ASM θα τοποθετούνται στον εμπρός άξονα των τετρακίνητων μοντέλων της οικογένειας Neue Klasse που θα φέρουν το σύστημα BMW xDrive.

Σημειώνουμε ότι τα δινορρεύματα είναι ανεπιθύμητα ηλεκτρικά ρεύματα που δημιουργούνται σε μεταλλικά μέρη λόγω μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου. Προκαλούν θέρμανση και ενεργειακές απώλειες, γι' αυτό, όπως είπαμε προηγουμένως, στους σύγχρονους ηλεκτροκινητήρες χρησιμοποιούνται πολύ λεπτά ελάσματα ηλεκτρικού χάλυβα αυτά ώστε να περιορίζονται.

Το 1% που μπορεί να αλλάξει τα πάντα

Εκτός όμως από την αύξηση των στροφών λειτουργίας, οι μηχανικοί αναζητούν συνεχώς και άλλους τρόπους να βελτιώσουν ακόμη περισσότερο την αποδοτικότητα των ηλεκτροκινητήρων. Και μπορεί εκ πρώτης όψεως μια βελτίωση της τάξης του 1% να μοιάζει αμελητέα, στην πραγματικότητα όμως μπορεί να έχει πολύ μεγαλύτερες συνέπειες από όσες φαντάζεται κανείς.

Η εξήγηση είναι σχετικά απλή. Ένας ηλεκτροκινητήρας που λειτουργεί με απόδοση 95% μετατρέπει σχεδόν όλη την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανικό έργο. Το υπόλοιπο ποσοστό χάνεται κυρίως με τη μορφή θερμότητας. Εάν λοιπόν οι απώλειες αυτές μειωθούν ακόμη και κατά μία ποσοστιαία μονάδα, προκύπτουν μια σειρά οφέλη με σημαντικότερο την αύξηση της αυτονομίας.

Η σύγκριση των δύο τεχνολογιών δείχνει ότι οι κινητήρες μόνιμων μαγνητών (PSM) εμφανίζουν πλεονέκτημα στις χαμηλές και μεσαίες ταχύτητες, τις οποίες αφορά το μεγαλύτερο μέρος του κύκλου WLTP. Αντίθετα, οι ηλεκτρικά διεγειρόμενοι σύγχρονοι κινητήρες (EESM) διατηρούν υψηλότερη απόδοση στις υψηλές στροφές, χάρη στη δυνατότητα ελέγχου του μαγνητικού πεδίου του ρότορα. Στο γράφημα φαίνεται ακόμα ένα πλεονέκτημα των ηλεκτροκινητήρων εν γένει: η διαθεσιμότητα της μέγιστης ροπής κατά την έναρξη της λειτουργίας τους, δηλαδή με το πρώτο πάτημα του γκαζιού.

Η σημαντικότερη ίσως εξέλιξη προς αυτή την κατεύθυνση αφορά τον τρόπο κατασκευής των τυλιγμάτων του στάτη. Για δεκαετίες οι περισσότεροι ηλεκτροκινητήρες χρησιμοποιούσαν κυλινδρικούς χάλκινους αγωγούς, οι οποίοι τυλίγονταν γύρω από τους πόλους του στάτη. Τα τελευταία χρόνια όμως όλο και περισσότεροι κατασκευαστές εγκαταλείπουν τη λύση αυτή και υιοθετούν επίπεδους (ορθογωνικής διατομής) χάλκινους αγωγούς, γνωστούς διεθνώς ως “hairpin windings” (όπου hairpin = φουρκέτα). Αυτοί έχουν το πλεονέκτημα ότι τοποθετούνται με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια μέσα στις αυλακώσεις του στάτη. Έτσι «γεμίζουν» καλύτερα το χώρο επιτρέποντας τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος χωρίς αύξηση των διαστάσεων του κινητήρα.

Παράλληλα, η μεγαλύτερη επιφάνεια των επίπεδων αγωγών διευκολύνει την αποβολή της θερμότητας, επιτρέποντας την αποτελεσματικότερη ψύξη (συνήθως με κάποιο έλαιο) του στάτη, ενώ μειώνεται η ηλεκτρική αντίσταση των τυλιγμάτων και περιορίζονται οι ενεργειακές απώλειες, ιδιαίτερα όταν ο κινητήρας λειτουργεί σε υψηλά φορτία.

Ηλεκτροκινητήρας μόνιμων μαγνητών (PMSM) της General Motors. Διακρίνονται ο στάτης με περιέλιξη από αγωγούς ορθογωνικής διατομής, ο πυρήνας του ρότορα από ελασματοποιημένο χάλυβα και οι μόνιμοι μαγνήτες που είναι ενσωματωμένοι στον ρότορα. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική χρησιμοποιήθηκε ως βάση για τους ηλεκτροκινητήρες των Chevrolet Spark EV και Bolt EV, ενώ αποτέλεσε τη βάση εξέλιξης των νεότερων συστημάτων Ultium Drive.

Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται πλέον από ολοένα και περισσότερους κατασκευαστές. Η Toyota υπήρξε από τους πρώτους που την εφάρμοσαν σε μοντέλα μαζικής παραγωγής, ενώ σήμερα συναντάται σε κινητήρες των Tesla, BYD, SAIC, Geely, Xiaomi, General Motors και πολλών ακόμη εταιρειών. Στην Κίνα μάλιστα η εξέλιξη των hairpin κινητήρων αποτελεί έναν από τους βασικότερους τομείς έρευνας, καθώς θεωρείται ότι μπορεί να προσφέρει σημαντική βελτίωση στην ενεργειακή απόδοση χωρίς αύξηση του κόστους παραγωγής.

Σημειώστε πως όσο αυξάνονται οι στροφές και η πυκνότητα ισχύος, τόσο μεγαλύτερο γίνεται και το πρόβλημα της θερμικής διαχείρισης. Οι απώλειες μετατρέπονται σε θερμότητα, η οποία μπορεί να μειώσει την απόδοση ή ακόμη και να προκαλέσει απομαγνήτιση των μόνιμων μαγνητών. Για τον λόγο αυτό, η ψύξη εξελίσσεται σε έναν από τους σημαντικότερους τομείς έρευνας. Οι σύγχρονοι κινητήρες χρησιμοποιούν πολύπλοκα κυκλώματα υδρόψυξης, ψύξη με λιπαντικό, εξελιγμένα θερμικά υλικά και ιδιαίτερα αποδοτικά συστήματα διαχείρισης της θερμότητας.

Στον εμπρός άξονα των τετρακίνητων εκδόσεων της Mercedes EQA χρησιμοποιείται ένας ασύγχρονος ηλεκτροκινητήρας (ASM). Ο ηλεκτροκινητήρας, το κιβώτιο μετάδοσης μίας σχέσης με ενσωματωμένο διαφορικό, το σύστημα ψύξης και τα ηλεκτρονικά ισχύος συνθέτουν μια συμπαγή και ολοκληρωμένη μονάδα, γνωστή ως eATS (Electric Axle Drive System).

Ferrari εναντίον Lamborghini

Η κριτική που δέχτηκε για τη σχεδίασή της η Ferrari Luce κατά την επίσημη παρουσίασή της, στις 25 Μαΐου του 2026, ήταν τέτοια που αναπόφευκτα η όποια τεχνολογική καινοτομία ενσωματώνει το πρώτο πλήρως ηλεκτρικό μοντέλο της φημισμένης ιταλικής εταιρίας έμεινε στο περιθώριο της δημοσιότητας. Και κακώς, θα λέγαμε, καθώς εδώ έχουμε μια ενδιαφέρουσα εκδοχή ενός «κλασικού» κινητήρα ακτινικής ροής (radial flux PMSM), ο οποίος επιτυγχάνει πολύ υψηλή πυκνότητα ισχύος, δουλεύοντας σε ασυνήθιστα υψηλές στροφές (30.000 rpm εμπρός, 25.500 rpm πίσω). Και το ενδιαφέρον είναι ότι σε αυτές τις στροφές ο εν λόγω ηλεκτροκινητήρας μπορεί να φθάσει κατά την πλήρη επιτάχυνση σε μόλις ένα δευτερόλεπτο.

Έχουμε λοιπόν στη Luce τέσσερις ανεξάρτητους ηλεκτροκινητήρες, έναν σε κάθε τροχό, να συνδυάζονται με ένα ιδιαίτερα εξελιγμένο σύστημα torque vectoring (που σημαίνει εξαιρετική κατανομή της ροπής ανά τροχό, με ό,τι αυτό συνεπάγεται στον τομέα των δυναμικών χαρακτηριστικών) στους οποίους συναντάμε μια ειδική διάταξη επιφανειακά τοποθετημένων μαγνητών τύπου “Halbach Array” για τον δρομέα, μέσω της οποίας το μεγαλύτερο μέρος της μαγνητικής ροής συγκεντρώνεται προς τον στάτη, περιορίζοντας τις μαγνητικές απώλειες και αυξάνοντας την ισχύ.

Από την επίσημη παρουσίαση του ηλεκτροκινητήρα της BYD που έσπασε το φράγμα των 30.000 στροφών ανά λεπτό.

Η απόδοση και η θερμική διαχείριση αποτέλεσαν δύο βασικούς άξονες κατά την εξέλιξη αυτών των ηλεκτροκινητήρων. Εδώ ο στάτης διαθέτει «συμπυκνωμένα» τυλίγματα πόλων (concentrated-pole windings) - που επιλέχθηκαν για να περιορίσουν στο ελάχιστο τις συνολικές διαστάσεις – τα οποία περιλαμβάνουν ηλεκτρομαγνητικούς πυρήνες με ελάσματα πάχους μόλις 0,2 mm που βελτιώνουν την ενεργειακή απόδοση στις υψηλές στροφές, χρήση σύρματος Litz (τεχνολογία Formula 1), καθώς και εμποτισμένη υπό κενό μόνωση με ρητίνη υψηλής θερμικής αγωγιμότητας. Όλα αυτά είναι στοιχεία που συμβάλλουν στη μείωση των απωλειών, στη βελτίωση της απαγωγής θερμότητας και στην αύξηση της αντοχής του ηλεκτροκινητήρα. Το αποτέλεσμα; Συνδυασμένη ισχύς 1.050 PS, 0–100 km/h σε 2,5 sec, 0–200 km/h σε 6,8 sec και τελική ταχύτητα άνω των 310 km/h – καθόλου άσχημα για ένα αυτοκίνητο 2.260 kg.

Λίγο μετά τη Ferrari, η Audi παρουσίασε το Nuvolari, ένα εντυπωσιακό plug in hybrid υπερ-αυτοκίνητο που βασίζεται στην ίδια βασική υβριδική αρχιτεκτονική που χρησιμοποιεί και η Lamborghini Temerario, κάτι απολύτως λογικό αφού και οι δύο εταιρίες ανήκουν στο VW Group. Εδώ έχουμε τρεις ηλεκτροκινητήρες αξονικής ροής (axial flux): δύο στον εμπρός άξονα (ένας ανά τροχό) με συνολική ροπή 2.150 Nm και έναν τρίτο που τοποθετείται μεταξύ του 4,0 L V8 biturbo βενζινοκινητήρα 588 kW (800 PS) και του κιβωτίου ταχυτήτων. Και ναι, σωστά μαντέψατε, αυτοί οι ηλεκτροκινητήρες είναι προϊόν της συνεργασίας με την YASA. Γιατί παρόλο που η βρετανική εταιρία εξαγοράστηκε το 2021 από τη Mercedes-Benz, η τεχνολογία των κινητήρων αξονικής ροής που είχε αναπτύξει είχε ήδη προσελκύσει το ενδιαφέρον κορυφαίων εταιρειών του χώρου. Η Lamborghini συγκαταλέγεται στους πρώτους κατασκευαστές που συνεργάστηκαν στενά με τη YASA για την εξέλιξη των ηλεκτροκινητήρων των Revuelto και Temerario, προσαρμόζοντας την τεχνολογία στις ιδιαίτερα απαιτητικές προδιαγραφές ενός υβριδικού supercar.

Ηλεκτροκινητήρας, σύστημα μετάδοσης και ηλεκτρονικά ισχύος (Inverter κλπ.) της Ferrari Luce

Και ενώ η Audi δεν έχει δώσει λεπτομερή στοιχεία για το Nuvolari, εμείς γνωρίζουμε ότι οι ηλεκτροκινητήρες της Temerario είναι ελαιόψυκτοι και αποδίδουν ισχύ 110 kW και ροπή 300 Nm ο καθένας, έχοντας βάρος που περιορίζεται στα μόλις 15,5 kg και πάχος μόλις 70 mm, ενώ «ανεβάζουν» στροφές μέχρι τις 10.000 rpm, κάτι λογικό, αφού οι αξονικής ροής κινητήρες δεν βασίζονται, όπως ήδη είπαμε, στις υψηλές στροφές για την αύξηση της αποδιδόμενης ισχύος, αλλά στη ροπή τους.

Έτσι, μέσα από μια σειρά εταιρικών συνεργασιών και εξαγορών, η ίδια βασική τεχνολογία έχει εξελιχθεί σε δύο διαφορετικές κατευθύνσεις: από τη μία πλευρά οι υβριδικές εφαρμογές των Lamborghini και Audi και από την άλλη οι αμιγώς ηλεκτρικές λύσεις της Mercedes-AMG. Πρόκειται για ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο η καινοτομία στους ηλεκτροκινητήρες δεν αναπτύσσεται πλέον αποκλειστικά μέσα στα τμήματα R&D κάθε κατασκευαστή, αλλά μέσα από ένα ευρύτερο οικοσύστημα εξειδικευμένων εταιρειών, κοινών εξελίξεων και τεχνολογικών συνεργασιών.

MUST READ

Mahle «Perfect Motor»: Ένας τέλειος ηλεκτροκινητήρας

Έπεται συνέχεια...

Βλέπουμε λοιπόν ότι ο ηλεκτροκινητήρας απέχει πολύ από το να θεωρηθεί κάτι τεχνολογικά «ώριμο», χωρίς περιθώρια εξέλιξης. Αντίθετα, βρίσκεται σήμερα σε μια περίοδο που παρατηρούνται σημαντικές βελτιώσεις στη δομή και τη λειτουργία του, αντίστοιχη ίσως με εκείνη που γνώρισαν οι κινητήρες εσωτερικής καύσης κατά τις δεκαετίες του 1980 και του 1990 (ή ακόμα και του 2000), όταν κάθε νέα γενιά ΜΕΚ έφερνε κάτι καινούριο – πχ. στον τομέα των συστημάτων τροφοδοσίας και των ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου της λειτουργίας τους. Παρατηρούμε επίσης ότι διαμορφώνονται διαφορετικές σχολές, με άλλους κατασκευαστές να θεωρούν ότι υπάρχουν ακόμη σημαντικά περιθώρια βελτίωσης των κινητήρων ακτινικής ροής, επενδύοντας σε νέα υλικά, καλύτερη ψύξη, προηγμένα τυλίγματα και υψηλότερες στροφές λειτουργίας και άλλους να πιστεύουν ότι η μεγαλύτερη πρόοδος θα προέλθει από τη μετάβαση στην αρχιτεκτονική αξονικής ροής, η οποία επιτρέπει ακόμη μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος και μεγαλύτερη ελευθερία στη σχεδίαση των συστημάτων μετάδοσης. Το μόνο βέβαιο είναι ότι το μέλλον θα έχει ενδιαφέρον...

(Δημοσιεύτηκε στο τεύχος 435 του Car and Driver - Ιούλιος 2026)

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ:

Κατάργηση ΜΕΚ: Η «παγίδα» της ηλεκτροκίνησης και η αγωνία της ευρωπαϊκής αυτοκινητοβιομηχανίας

Ποια εταιρεία βγάζει το μεγαλύτερο κέρδος ανά όχημα - Ποια «μπαίνει μέσα»

Δίπλωμα οδήγησης: Πότε γίνεται υποχρεωτική η αλλαγή από χάρτινο σε πλαστικό - Η διαδικασία, το κόστος