artikel

Oog voor techniek: Audi’s nieuwe motoren

Techniek 2075

Audi ziet zijn e-tron-techniek met op de voor- en achteras een elektromotor en daartussen een grote batterij als de ‘volgende evolutionaire stap van het quattro-aandrijfsysteem’. Die vloeistofgekoelde en razendsnel te laden 95 kWh, 400 V-batterij bespraken we in AMT 5, nu is de beurt aan de elektromotoren op voor- en achteras. Goed om te weten: Audi deelde deze kennis over zijn elektromotoren met ons tijdens de jaarlijkse hoogmis voor automotorenontwikkelaars, het Wiener Motoren Symposium.

Oog voor techniek: Audi’s nieuwe motoren

Even voorstellen

Audi bouwt vier verschillende elektromotoren die veel onderdelen met elkaar delen. De vierling kreeg namen mee waarmee we ze goed uit elkaar kunnen houden. We stellen aan je voor: de APA250, de APA320, de AKA320 en de ATA250.

Die eerste A staat in alle gevallen voor Asaandrijving. Bij de tweede letter beginnen de verschillen. De P staat voor asParallel. Dat betekent dat de motor niet tussen de aandrijfassen zit, maar er parallel aan. De K staat voor Koaxiaal, Duits voor coaxiaal. Een motor met een K in de naam staat wel tussen de assen. De tweede A staat voor Asynchroon (lees meer in: ‘Waarom Asynchroon?’).

Het cijfer daarachter, de 250 of 320, staat voor het motorkoppel. Maar let op, zowel de asparallelle als de coaxiale motoren beschikken over een eigen tandwielkast en differentieel met vaste overbrenging met een vertraging van meer dan 9:1. Het koppel aan de wielen is dus ruim negen keer zo groot. Daarmee herkennen we een APA 250, APA 320 en een AKA320 motor. Bij de ATA250 staat de T voor Twin: twee motoren (coaxiaal) op één as. De 250 is het koppel per motor, samen dus 500 Nm.

Waarom Asynchroon? (En wat voor motoren kom je tegen in andere elektrische auto’s?)

In hybride en elektrische auto’s kom (en kwam) je verschillende typen elektromotoren tegen. De meest eenvoudige is de gelijkstroommotor. Die motor kennen we van de versleten koolborstels. Zijn rendement is bovendien laag. Bij gebruik als startmotor is dat allemaal niet zo erg, maar sinds de jaren ’90 komen we de gelijkstroommotor eigenlijk niet meer tegen als aandrijfmotor in elektrische auto’s.

Onder meer de Toyota Prius werkt met permanent magneet motoren. Daarbij is de rotor een vaste magneet. Voordeel is een hoog rendement, nadeel is dat er bij de productie schaarse (en dus dure) grondstoffen nodig zijn voor zo’n permanente magneet.

In de synchrone wisselstroommotor van bijvoorbeeld de Renault Zoë zijn die zogenoemde zeldzame aardmetalen niet nodig. Bij zo’n motor is de rotor uitgevoerd als elektromagneet. Nadeel is dat er sleepringen nodig zijn om de rotor van stroom te voorzien.

Door (net als Tesla) te kiezen voor de asynchrone elektromotor vermijdt Audi die nadelen. Zo’n asynchrone motor heeft een rotor met een zogenoemde kortsluitkooi. Die bestaat uit een reeks staven met op beide uiteinden een kortsluitring. Als de vermogenselektronica in de spoelen van de stator een draaiend magnetisch veld opwekt, gaan door die staven grote stromen lopen om een tegenveld op te werken (zo werkt inductie nu eenmaal). Dat brengt de rotor aan het draaien. Omdat de rotor altijd een aantal graden achterloopt op het draaiend magnetisch veld van de stator, wordt zo’n motor asynchroon genoemd.

Overigens is ook zo’n asynchrone wisselstroommotor niet zonder nadelen. Zo is die kortsluitkooi uit aluminium. Voor een goede geleiding moet dat aluminium zeer zuiver zijn, Audi spreekt van 99,7 %. Zulk zuiver aluminium heeft heel matige sterkte-eigenschappen. Toch moet die kooi heel blijven bij omwentelingssnelheden van 120 m/s. En dat zonder verzwarende versterkingen. Ondertussen mag ook de temperatuur van het aluminium niet verder oplopen dan 180 °C. Kijk in ‘Gekoelde rotoras’ hoe de Audi-ingenieurs dat oplosten.

 

Eigen vermogenselektronica

De aluminium doos bovenop de motorbehuizing bevat de vermogenselektronica. Die zet de gelijkstroom uit de hoogvoltage batterij om naar driefase wisselstroom voor de stator van de elektromotor. Je zou verwachten dat een autofabrikant de ontwikkeling van zo’n elektronische doos aan een gespecialiseerde toeleverancier overlaat, maar Audi ontwikkelde de motorcontrolefuncties in eigen huis. Reden: “Op basis van sensordata berekent de elektronica 10.000 keer per seconde nieuwe stroomwaarden voor de statorspoelen. Voertuigfuncties zoals trillingsdemping en traction control hebben we in de vermogenselektronica ge- integreerd. Die werken nu dus razendsnel en zonder CAN-busvertraging. Zo hebben we bijvoorbeeld de acceleratie op ijzige wegen enorm kunnen verbeteren.”

Gekoelde rotoras

Elektromotoren met een hoog specifiek vermogen kunnen niet zonder vloeistofkoeling. Bij stator en rotor samen moet bij maximale belasting zo’n 10 kW worden weggekoeld. Ter vergelijking, bij een viercilinder met vergelijkbaar vermogen geeft de cilinderkop tot wel 100 kW aan warmte af aan het koelsysteem.

In dit geval koelt de vloeistof de vermogenselektronica, transmissie, stator en de rotor. Dat laatste is bijzonder. Gewoonlijk is een rotor, die 15.000 omwentelingen per minuut kan draaien, alleen luchtgekoeld. In dit geval stroomt de koelvloeistof door de holle as van de rotor. De afdichting was een uitdaging. Audi gebruikt glijringpakkingen met slijtvaste siliciumcarbide sluitringen. Dat klinkt complex, maar volgens Audi biedt de vloeistofkoeling van de rotoras grote voordelen: “Meer homogene lagertemperaturen, zodat de lagerspeling kleiner kan. Dat zorgt voor minder geluid en minder wrijving.” De afbeelding toont de koeling van de APA250.

 

Twee transmissies

De transmissie heeft de taak om in een heel beperkte ruimte het motortoerental ruim negen keer te reduceren en via een differentieel door te geven aan de aandrijfassen. Bij de coaxiale motoren loopt één van die assen ook nog eens door de vloeistofgekoelde rotor. En dan moet de transmissie fluisterstil, hoogefficiënt en licht van gewicht zijn.

Beide transmissietypen verzorgen die reductie in twee stappen met planetaire tandwielstelsels. Ze zijn oliegesmeerd zonder dat een oliepomp nodig is. Ook een oliekoeler ontbreekt. Er is wel vloeistofkoeling (zie: ‘Gekoelde rotoras’). Bovenop de asparallelle transmissie zit de parkeervergrendeling.

Reageer op dit artikel