Elektriska navmotorer

Dagens elfordon har i regel elmotorn monterad direkt i anknytning till drivaxeln, antingen fram eller bak. Vissa hybrider har istället en konfiguration där elmotorn sitter sammankopplad med växellådan t ex Honda/Acura NSX, Mercedes E 300de med flera [1, 2]. Oavsett placering är elmotorn redan idag mer volymeffektiv jämfört med en förbränningsmotor med motsvarande effekt. Detta möjliggör att mer yta kan frigöras till lastutrymme som i Teslas modeller och nya Volvo XC40 Recharge. Det finns dock ett alternativ som är ännu mer volymeffektivt, den elektriska navmotorn. Navmotorn är precis som namnet antyder en motor som är inkorporerad direkt i hjulet, även om det finns flera olika varianter för elmotorns exakta placering, i eller utanför navet.

Den kanske mest kända navmotorbilen är Lohner-Porsche som presenterades på världsutställningen i Paris1900. Ödets ironi är att även dieselmotorn presenterades på samma utställning. Lohner-Porsche hade två navmotorer i de främre hjulen och fanns både som laddhybrid och batterielbil [3].

För nästan lika länge sedan som Lohner-Porsche rullade på vägarna skrev Magnus om navmotorer i omEV (åtta år kan kännas som en evighet i elfordonsvärlden) [4]. Navmotorer var på agendan 2011, av planerna som företagen målade upp blev det dock inte mycket. Dagens nyhetsbrev är en analys på navmotorns fördelar och nackdelar, vilket även inkluderar en del tekniska och ekonomiska aspekter. På senare tid har ett antal företag presenterat olika navmotorlösningar som enligt egen utsago kan revolutionera mobilitetssektorn. Är ett genombrott för navmotorer nära förestående?

Fördelar – Utrymmesflexibilitet, mekanisk enkelhet och förbättrad fordonsdynamik

Navmotorer möjliggör att bottenplattan kan bli närmast helt fri från drivlinekomponenter [5]. Det ökade utrymmen på bottenplattan ger större designfrihet av kaross, last- och innerutrymmen [5, 6]. Israeliska startupbolaget Ree har tagit detta ett steg längre genom att integrera navmotorerna i ett egenutvecklat chassi/plattform/skateboard. Enligt Ree ska samma chassi kunna användas till flera olika karosskonfigurationer och navmotorskonfigurationen kan frigöra upp till 67 % utrymme och 33 % i vikt jämfört med konventionella designer [7, 8]. Denna flexibilitet kan vara extra attraktivt i designen av delade automatiska fordon.

En annan tilltalande aspekt med navmotorer är dess mekaniska okomplicerade konstruktion. Genom att placera motorn direkt i hjulet elimineras behovet av växellåda, differential och drivaxlar (Reds anm., konventionella elbilar har som regel en en-växlad växellåda) [5]. Amerikanska Indigo har utvecklat en fristående navlösning med elmotor, aktiv stötdämpning och bromsar implementerat i en enhet [9], vilket medför att även det centrala bromssystemet kan avlägsnas från fordonsplattformen. Nevs-ägda Protean Electric hävdar att minskade antal komponenter och direkt drivning kan ge lägre fordonsvikt och minskade energiförluster, med ökad räckvidd som följd [10]. Direktdrivning av hjulet innebär att elmotorns varvtal är detsamma som hjulets rotationshastighet. Lägre fordonsvikt innebär minskat effektbehovet – elmotorn kan göras mindre och kräver lägre spänning [11].

Individuellt styrda navmotorer ger dessutom ökad fordonsdynamiska egenskaper. Vridmoment-vektorisering (torque vectoring) är ett sätt att genom förflyttning av momentum mellan drivhjulen öka styrförmågan. Detta finns redan i en del moderna bilar och görs då via differentialen. Navmotorer möjliggör en mer exakt vektorisering, vilket kan leda till ökad manöverförmåga och säkerhet [12]. I fordonsprototypen Research Concept Vehicle som utvecklades på KTH, laborerade forskarna med dynamiska styrvinklar och cambervinklar vilket kan positivt påverka manöverförmågan [5, 13]. Protean Electric har i en uppmärksammad video visat hur individuell styrning av hjulen kan te sig i verklig trafikmiljö [14].

Nackdelar – Krävande elektronik, behov av vridmoment och ofjädrad vikt

Det finns ett antal baksidor med individuell drivning av hjulen. Navmotorer kräver i regel mer avancerad elektronik med extra redundans. I händelse av tappad funktionsförmåga på en eller flera av ett fordons navmotorer finns det uppenbara risker för asymmetrisk kraftöverföring, vilket i värsta fall kan leda till förlorad styrförmåga [6]. Elektroniken är också mer utsatt för elementen (grus, salt, vatten, etc) i en navmotor, vilket kräver en robust inkapsling och en utmaning i fråga om hållbarheten av lagren [5, 6]. Detta har adresserats av företaget Indigo som har utvecklat en 48v navmotor (400 v är ofta regel för elmotorer i fordon) vilket sägs vara lättare att inkapsla [11]. Navmotorns placering och design gör den också svårare att kyla [15].

I navmotorsystem finns det ingen växellåda och elmotorn roterar i samma hastighet som hjulen. En effektiv framdrivning kräver då en elmotor med hög momenttäthet (vridmoment) [5]. Detta innebär nästan alltid att permanentmagnetmotor används i navmotorer. Denna elmotortyp är både dyrare och kräver sällsynta jordartsmetaller [5].

Den klassiska nackdelen med navmotorer är en högre ofjädrad massa. Den ofjädrade massan är den massa (hjul, axlar) vars vertikala rörelser inte dämpas av fordonets hjulupphängning. En hög ofjädrad massa kan ge svängningar/vibrationer i chassiet och negativt påverka väghållning och åkkomfort [5, 16]. Strävan mot låg ofjädrad massa kan t ex beskådas hos Koenigsegg som har utvecklat kolfiberfälgar med 20 kg lägre ofjädrad massa [17]. Den högre ofjädrade massan för navmotorer kan dock kompenseras på olika sätt. Protean Electrics menar att kombinationen av förstärkt hjulupphängning och mer effektiv motorstyrning kan överkompenserar för den höga ofjädrade massan [6]. Indigo menar att deras aktiva hjulupphängning som individuellt och i realtid anpassar fjädringen efter vägen ska minska effekten av ojämnheter med upp till 50 % [9].

Få navmotorer i verkliga applikationer och Rivian Electric

Navmotorer har fått stort genomslag i tvåhjuliga elfordon, exempel för tyngre fordon är dock få [18]. Ett undantag är BYD som använder dubbla navmotorer på flera av deras bussmodeller [19]. Amerikanska Rivian säger sig ha en lösning där fördelarna med individuell drivning av varje hjul kan bibehålls, utan navmotorns nackdelar. Rivians kommande SUV och Pickup modeller ska ha fyra chassimonterade elmotorer (a´200 hk) med en växellåda per elmotor. Rivian menar att denna konfiguration ger säkrare vägegenskaper och överlägsna terrängegenskaper, samt möjlighet att vända på stället likt ett banddrivet pansarfordon [20].

Egen kommentar

Navmotorer verkar åter vara på agendan men med bristen på verkliga applikationer så är det ännu för tidigt att tro att ett genombrott är förestående. Det är relativt svårt att skapa sig en oberoende uppfattning kring navmotorer och dess egenskaper. Många publika källor är antingen från tillverkarna själva eller journalistiskt material baserat på information från samma tillverkare. Jag är därför tacksam till Oskar Wallmark på KTH som hjälpte mig att reda ut begreppen. Navmotorkonfigurationen kommer med betydande fördelar men också verkliga nackdelar. Där framförallt kostnaden är en stor barriär enligt Oskar. Det finns dock alternativ. Rivians fyrmotorslösning är intressant då flera nackdelar med navmotorer som hög ofjädrad massa och utsatthet från elementen kan undvikas. Rivians modeller är dock prestandamonster i den högre prisklassen, är därmed oklart om deras konfiguration kommer vara applicerbar i billigare elfordon framöver.

Referenser

[1] Fleet News. Mercedes Benz E300 de Sep 2019. länk

[2] Acura NSX. länk

[3] Hemmiongs. Lohner Porsche. Aug 2013. länk

[4] OmEV: Elektriska navmotorer. Feb 2011. länk

[5] Intervju med Oskar Wallmark, Associate Professor på Elkraftteknik, KTH

[6] Whitehead, Andrew, and Chris Hilton. ”In-wheel motors roll again.” IEEE Spectrum 55.7 (2018): 24-29.

[7] Ree. länk

[8] The Driven. Juli 2019. länk

[9] Indigo. länk

[10] Protean Electric. länk

[11] The Economist. A new type of engine for electric cars. Juli 2019. länk

[12] Parra, Alberto, et al. ”Intelligent Torque Vectoring Approach for Electric Vehicles with Per-Wheel Motors.” Complexity 2018 (2018).

[13] KTH ITRL. Research Concept Vehicle. länk

[14] Ny Teknik. Så fungerar Protean Electric hjulmotor. länk

[15] Murali. Are Hub motors future choice for EV power train. Maj 2019. länk

[16] NE. Ofjärdrad massa. länk

[17] Koenigsegg. länk

[18] IDtechX. In-wheel motors are evolving fast. Aug 2019. länk

[19] BYD. länk

[20] Fully Charged. Rivian. Nov 2019. länk