Målet för alla tillverkare av elfordon är att göra elmotorerna mer effektiva, vilket innebär att mindre energi går åt till rörelse och att man kan konstruera mindre batterier med optimal värmehantering.
När det gäller att överföra kraft från batterierna till hjulen på ett elfordon är rotorn en av de viktigaste komponenterna. Tillverkningsprocessen kan optimeras på flera sätt för att skapa en mer effektiv elmotor.
Tillverkningsprocessen för rotorn kan delas in i 6 steg:
Rotorns design beror på de material som används och de tekniska kraven. I induktionsmotorer genererar till exempel rotorn ett magnetfält tillsammans med statorn. Därför används magnetiska material såsom kobolt, nickel och järn. Kostnaden, hållfastheten och tillgängligheten för dessa material påverkar designen i hög grad.
Dessa krav och utmaningar hanteras under design- och prototypfasen. Ta till exempel installationen av magneter inuti rotorn (inre permanentmagneter). Vid utformningen av rotorns lameller måste man ta hänsyn till att det krävs utrymme för magneterna och att magnetfältets väg måste optimeras.
När konstruktionen är klar och prototypen monterad placeras den på en testbänk. Denna utrustning mäter prestandaindikatorer såsom vridmomentskurva, varvtal per volt, resistans och impedansnivåer för att säkerställa att de uppfyller de krav som ställs på en växelströmsmotor (AC-motor). Rotorns balans kontrolleras också som en slutkontroll inför montering av elmotorn (mer om detta steg i Impregnering och balansering).
Här är ett exempel på ett rotortest på provbänk som kan användas för prototyper och slutprodukter.
Rotorns kärna består av hundratals små skivor av metalliskt material som kallas lameller. Varje lamell stansas eller pressas och beläggs sedan med ett tunt skikt (några mikrometer) för att skydda mot korrosion och ge bättre isolering.
Denna tillverkningsprocess, som kallas laminering, inleds när alla lameller staplas på varandra och sedan stansas för att skapa rotorns kärna med hjälp av en hydraulisk stanspress. Denna tillverkningsmetod är avgörande för att bygga en effektiv rotor: lamellerna minskar virvelströmmarna inuti rotorn samtidigt som de ökar rotorns hållfasthet och förbättrar dess balans.
Rotorn bidrar till att generera ett magnetfält tillsammans med statorn. För att göra detta installeras magnetiska element i rotorn. Dessa kan vara magneter, ledarstänger eller kopparlindningar.
Den vanligaste metoden i moderna elfordon är att använda inre permanentmagneter (IPM) inuti lamellerna. Denna typ av rotor kan köras med högre varvtal utan att centrifugalkraften ökar, ligger längre bort från värmekällor och genererar ett mer koncentrerat magnetfält för bättre prestanda. På högpresterande elmotorer installeras en kolbeläggning runt rotorn för att förbättra dess hållfasthet och öka det maximala varvtalet och effekten.
I följande video kan du se magneter inuti en rotors kärna.
Ledningsstänger installeras på utsidan av rotorn, i de utrymmen som lämnats i lamellkonstruktionen. De kan monteras manuellt eller med hjälp av automatiserad insättningsutrustning.
Att linda koppartrådar runt rotorns kärna är en välkänd teknik som används i många olika elmotortillämpningar. Den har använts mindre inom bilindustrin på senare tid på grund av den högre verkningsgraden hos IPM- och ledarstångskonstruktioner.
När rotorkärnan har skapats bearbetas den för att ta bort överflödigt material från ändringarna och, vid behov, skapa yttre designegenskaper. Eftersom vissa rotorer roterar med mer än 10 000 varv per minut måste bearbetningen vara mycket precis för att uppnå mycket höga mekaniska toleranser med en CNC-maskin (Computer Numerical Control).
I detta skede är tillverkningen av rotorkärnan klar. Detta är det perfekta tillfället i produktionen att lasermärka lamineringsenheten (eller ekorrhuset). Datamatriskoder (DMC) eller serienummer märks in för att samla in produktionsdata och förbättra kvalitetskontrollen.
I följande video kan du se lasermärkningen av en högtemperaturrotor.
Nu är det bara rotoraxeln som saknas. Axeln säkerställer en effektiv mekanisk kraftöverföring som driver elbilens hjul. Axeln tillverkas separat och kan rengöras med laser för att ta bort olja, damm eller andra föroreningar som finns kvar från tillverkningen. Den kan också lasermärkas för spårbarhet eller uppföljning.
I följande video kan du se laserrengöringen av rotoraxeln.
Efter rengöringen förs axeln in i rotorns kärna med hjälp av en pneumatisk pressmonteringsmaskin. För att presspassningen ska lyckas måste hålet i mitten av rotorns kärna vara något mindre än axeln för att säkerställa rätt presspassning mellan de två delarna så att de hålls på plats. Detta uppnås genom att värma upp rotorns kärna några sekunder före presspassningen. Denna process är vanligtvis automatiserad.
I följande video kan du se hur rotoraxeln sätts in.
Nu när rotorn är helt monterad impregneras den i ett hartsbad för att förbättra dess mekaniska hållfasthet och skydda den mot yttre påverkan.
För att klara hastigheter på upp till 10 000 varv per minut krävs en exakt balansering för att säkerställa en jämn gång utan vibrationer. Massfördelningen mäts genom att rotorn placeras på en horisontell eller vertikal fixtur utrustad med mätinstrument såsom accelerometrar, tachymetrar och vågar. Dessa instrument övervakar acceleration, rotationshastighet och vikt medan rotorn snurrar. Justeringar görs tills balansen uppnås.
I följande video kan du se hur rotorn balanseras i detalj.
Tillverkningsprocessen för en rotor innefattar många viktiga steg och avgörande prestandaförbättringar kan uppnås under vart och ett av dem. Smarta designval leder till effektivare produktion och kvalitetskontroll i slutet av tillverkningsprocessen.
Att använda laserprocesser för spårbarhet och ytbehandling under hela processen säkerställer kontinuerlig processförbättring och maximerar komponenternas prestanda.
I en konkurrensutsatt bilbransch innebär varje förbättring av elmotorernas effektivitet en förbättring av hastighet, tillförlitlighet och energibesparing. Att använda automatisering och miljövänlig teknik som laser i tillverkningsprocessen för rotorer är nu avgörande för att skala upp produktionen och minska miljöpåverkan.
Teknisk expert och konsult inom batterier och elektriska framdrivningssystem, Stéphane har en examen i fysik med inriktning mot fotonik, optik, elektronik, robotik och akustik. Engagerad i omställningen till elfordon har han utvecklat industriella batteripaket för elcyklar. På fritiden driver han en YouTube-kanal om allt som rör el.
Även om litiumjonbatterier dominerar marknaden för elfordon finns det fortsatt oro över brist på råvaror, kostnader samt utvinnings- och gruvdrift. Litiumproduktion är dyr och inte särskilt miljövänlig.
Litiumjonbatterier har drivit våra enheter och elfordon i åratal, men fastfasbatterier hyllas nu som nästa stora grej. Men hur korrekt är det påståendet?
Pouch-celler introducerades 1995 och har alltid haft en unik design, där batteriet är inneslutet i en mjuk plastfilm istället för ett styvt hölje som hos cylindriska och prismatiska celler.
I den här artikeln diskuterar vi hur de har utvecklats genom åren och vart de är på väg.
