ZF przedstawia rewolucyjny silnik do samochodów elektrycznych, który obraca się z prędkością 30.000 obrotów na minutę, dostarcza 3.500 Nm momentu obrotowego oraz zmniejsza o 25% swoje rozmiary i wagę.

Rozwój silników do samochodów elektrycznych zmierza w dość interesującym kierunku. Przez lata producenci koncentrowali się na zwiększaniu mocy, poprawie efektywności oraz zmniejszaniu zużycia materiałów. Teraz jednak zaczynają badać inną możliwość, która może mieć istotne konsekwencje zarówno dla projektu samochodów, jak i ich kosztów produkcji – mianowicie sprawienie, by silniki działały przy znacznie wyższych prędkościach obrotowych.

Niemiecki specjalista ZF od dłuższego czasu pracuje nad tym kierunkiem i właśnie przedstawił nowe szczegóły swojej technologii High Revolution Drive. Jest to rozwiązanie, które ma na celu przełamanie niektórych typowych ograniczeń obecnych systemów napędowych elektrycznych, poprzez zastosowanie silnika mniejszego i lżejszego, który dzięki specjalnie opracowanej transmisji może oferować osiągi typowe dla znacznie większych jednostek.

Ciekawe jest to, że ta technologia nie jest przeznaczona wyłącznie dla samochodów sportowych o wysokich osiągach czy modeli luksusowych. ZF chce ją zastosować w samochodach elektrycznych masowej produkcji, gdzie redukcja kilku kilogramów, oszczędność materiałów i zwolnienie miejsca mogą stanowić istotną przewagę. A pierwsze wyniki pokazują, że wciąż istnieje spory margines poprawy dla silników, które już wyróżniają się wysoką efektywnością.

Silnik elektryczny o prędkości 30.000 obrotów na minutę, który zmniejsza wagę o 25% i wykorzystuje połowę magnesów

Główną cechą nowego ZF High Revolution Drive jest jego zdolność do osiągania 30.000 obrotów na minutę, co jest prędkością znacznie wyższą niż 18.000 obrotów na minutę silnika używanego przez firmę jako punkt odniesienia. Aby to osiągnąć, inżynierowie opracowali system łączący silnik elektryczny, elektronikę mocy i skrzynię biegów w jedną, kompaktową jednostkę.

Prezentowana wersja osiąga maksymalną moc 200 kW (272 KM), ale tym, co naprawdę uderzające, jest to, że udaje jej się zmniejszyć zarówno rozmiar, jak i wagę o około 25% w porównaniu z konwencjonalnym systemem o równoważnych osiągach. To znaczna różnica w komponencie, który musi być zainstalowany w miejscu, gdzie każdy centymetr ma znaczenie, a który ponadto bezpośrednio wpływa na całkowitą wagę samochodu.

Kluczem jest podstawowa cecha silników elektrycznych. Przy tej samej mocy, im większa jest prędkość obrotowa, tym mniejszy moment obrotowy musi wytwarzać silnik. Dzięki temu można zmniejszyć rozmiar rotora, a więc użyć mniej materiałów, aby osiągnąć ten sam efekt. Problem polega na tym, że koła nie mogą obracać się z takimi prędkościami, dlatego konieczne jest dostosowanie ruchu za pomocą przekładni.

ZF rozwiązał ten problem, wykorzystując dwustopniową reduktor z zębatkami helisowymi o przybliżonym stosunku 18:1. Oznacza to, że silnik może obracać się z bardzo wysokimi prędkościami, podczas gdy skrzynia biegów zmniejsza te obroty i zwiększa moment obrotowy dostępny na wyjściu. Dzięki takiemu układowi system osiąga maksymalny moment obrotowy 3.500 Nm na wyjściu skrzyni biegów prowadzącym do kół.

Kolejną zaletą jest zużycie materiałów. ZF zapewnia, że High Revolution Drive wymaga o 50% mniej masy magnesów niż jego jednostka referencyjna pracująca przy 18 000 obrotów na minutę. Może to mieć istotne konsekwencje dla kosztów produkcji oraz zależności od kluczowych surowców, szczególnie w czasie, gdy europejscy producenci starają się zmniejszyć swoją ekspozycję na określone łańcuchy dostaw.

Oczywiście obracanie silnika przy tak wysokich prędkościach również stwarza trudności. W miarę wzrostu liczby obrotów kontrolowanie wibracji, hałasu oraz obciążeń, jakim są narażone łożyska, staje się coraz trudniejsze. Dlatego ZF opracowało łącznie silnik, przekładnie i elementy mechaniczne, zwracając szczególną uwagę na geometrię zębów przekładni.

Zdaniem Thomasa Meisera, kierownika działu mobilności elektrycznej w ZF, 30 000 obrotów na minutę stanowi obecnie najlepszy balans pomiędzy osiągami technicznymi a kosztami dla tego rozwiązania. To prędkość, która umożliwia wykorzystanie zalet silnika bardziej kompaktowego, bez tego, by trudności w produkcji i eksploatacji zniweczyły te korzyści.

I jest jeszcze jeden szczególnie interesujący fakt: pomimo zwiększenia liczby obrotów oraz użycia reduktora dwustopniowego, całość zachowuje sprawność na poziomie bliskim 93%, praktycznie identycznym z tą charakteryzującą konwencjonalną jednostkę użytą do porównania. Oznacza to, że ZF udało się zmniejszyć rozmiar i wagę, nie poświęcając przy tym ogólnej efektywności energetycznej systemu.

Obniżka masy może również przyczynić się do poprawy zasięgu, chociaż ZF nie podało jeszcze konkretnych danych na temat tego, ile dodatkowych kilometrów może osiągnąć samochód wyposażony w tę technologię. Jej główną zaletą będzie prawdopodobnie połączenie mniejszej masy, mniejszego zużycia materiałów oraz prostszej integracji w platformach elektrycznych.

High Revolution Drive stanowi część modułowej architektury SELECT firmy ZF, która umożliwia dostosowanie różnych komponentów do potrzeb poszczególnych producentów. Firma skupia się początkowo na rozwoju systemów o mocy od 150 kW (204 KM) do 200 kW (272 KM) – zakres mocy szczególnie interesujący dla dużych samochodów osobowych i SUV-ów elektrycznych.

Ponadto technologia ta jest kompatybilna zarówno z architekturami 400, jak i 800 voltów, co ułatwiłoby jej zastosowanie na różnych platformach bez konieczności tworzenia zupełnie nowego systemu dla każdego zastosowania. Ta elastyczność może okazać się szczególnie atrakcyjna dla producentów, którzy chcą dzielić komponenty pomiędzy różne modele i obniżyć koszty rozwoju.

ZF prowadzi już rozmowy z różnymi producentami samochodów, a celem jest wprowadzenie tej technologii do produkcji około 2030 roku. Przed nami wciąż jest sporo pracy, szczególnie jeśli chodzi o zapewnienie trwałości, kontrolę kosztów oraz dostosowanie systemu do wymagań masowej produkcji.

Jednak to podejście jest szczególnie interesujące dla europejskiego przemysłu. Podczas gdy duża część uwagi skupia się na bateriach, czasie ładowania i nowych architekturach elektrycznych, firmy takie jak ZF pokazują, że same silniki również oferują duży potencjał rozwoju. A uzyskanie tej samej mocy przy zestawie o 25% mniejszych i lżejszych rozmiarach, przy użyciu połowy magnesów, może być równie ważne dla przyszłości samochodów elektrycznych jak zwiększenie ich zasięgu o kilka kilometrów.

Źródło | ZF