Z minulosti jsme zvyklí dělit motory v automobilech 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, 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 [elektrický městský automobil — první československý elektromobil vyvinutý ve spolupráci Výzkumného ústavu elektrických strojů točivých (VÚES) v Brně a brněnské techniky VUT, konkrétně katedry spalovacích motorů a motorových vozidel, vývoj začal v roce 1968, první funkční vzorek se podařilo dokončit o rok později — pozn. red.], Škoda Shortcut [dvoumístný prototyp prvního elektromobilu Škoda postaveného na platformě zkrácené verze Favorit na základě švýcarské poptávky v roce 1990 — pozn. red.] nebo Škoda Eltra [elektrifikovaný model Škody Favorit vyráběný v letech 1992—1994 v počtu cca 150 ks, z nichž většina šla na vývoz, především do Švýcarska — pozn. red.]. 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, potřebovaly totiž doplnit výbavu o takzvaný měnič (nebo také invertor či střídač). Ten mění stejnosměrný proud dodávaný trakčním akumulátorem na střídavý a zároveň zajišťuje regulaci elektromotoru. Vývoj této konkrétní části elektrického pohonu dospěl do dobře použitelné podoby využitelné v elektromobilech až relativně nedávno. Každopádně v dnes prodávaných elektromobilech najdete výhradně střídavý motor. Kromě vyšší účinnosti je výhodou kompaktnější stavba, a tím pádem nižší hmotnost.
Asynchronní, nebo synchronní?
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 se ovšem ponoříme hlouběji do teorie, zjistíme, že tak jednoduché to není. Pravda, synchronní motor dosahuje účinnosti zhruba 95 %, ovšem v nižších otáčkách. Asynchronní motor naproti tomu nabízí účinnost nepatrně nižší (93 %), ale ve vyšších otáčkách. Proto ho také najdeme spíše u větších elektromobilů, kde lze předpokládat častější jízdu po dálnici. Vybaveny jsou jím např. Audi e-tron nebo Mercedes- Benz EQC. Dnes už ovšem existují i způsoby, jak účinnost ve vyšších otáčkách vylepšit také u synchronních motorů. 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 v nejvýkonnějších elektromobilech nacházíme synchronní motory. 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“, běží tyto motory 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.
S vinutím na rotoru
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 podle 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 motoru 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 uvádí, že tento nový elektromotor zvládne až 17 000 ot/min. U Renaultu Zoe to je maximálně 11 300 ot/min.
Reluktanční motor
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. Tento druh elektrického motoru tedy při nízkých otáčkách využívá více efektu permanentních magnetů, zatímco ve vyšších rychlostech přejde k využití principu reluktančního motoru a sníží tak ztráty způsobované permanentními magnety.
Klecový rotor
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 med. 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 však lze částečně řešit konstrukcí rotoru, u něhož je místo tyčí kruhového průřezu využíváno hranatých lamel. Dochází tak ke zvýšení odporu na rotoru, a tedy ke zvýšení točivého momentu.
Šedivá je teorie, zelený strom praxe
Praxe u prodávaných automobilů ukazuje, že ačkoliv zmíněné vlastnosti teoreticky předurčují jednotlivých typy motorů pro určité způsoby využití, ve skutečnosti je možné 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 celá řada. Z pohledu teoretické účinnosti je zřejmě nejlepší synchronní motor s permanentními magnety, musí ale být vpředu i vzadu. Kromě jiných jsou takto řešeny Jaguar I-Pace nebo Porsche Taycan. Díky přenosu hmotnosti totiž poskytne motor vzadu lepší trakci při akceleraci, motor vpředu pak díky většímu zatížení přední nápravy při zpomalování dokáže 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 uvedeno, koncern Volkswagen nabízí kombinaci synchronního motoru vzadu a asynchronního vpředu, kdy pro pohon samotný slouží především ten zadní. 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 1 408 kW (1 914 k) a 2 300 N.m. Ano, i to je dnes možné. /Lukáš Dittrich/