Silnik elektryczny osiąga 30 000 obr./min – co zyskuje napęd?
ZF GroupNapęd elektryczny osiągający prędkość obrotową 30 000 obr./min może być mniejszy i lżejszy przy tej samej mocy. Aby wykorzystać tę zaletę, konstruktorzy muszą dobrać przełożenie reduktora, ograniczyć straty energii i drgania oraz skutecznie odprowadzać ciepło. Przykłady BYD i ZF pokazują, że zbliżona maksymalna prędkość obrotowa prowadzi do różnych konstrukcji napędu.
Zespół badawczy z Uniwersytetu RWTH Aachen przeanalizował 115 silników trakcyjnych zamontowanych w 80 pojazdach w latach 2019–2025. Badanie koncentrowało się na rynku chińskim, a punktem odniesienia były wcześniejsze dane dotyczące głównie konstrukcji europejskich i amerykańskich. W tej próbie średnia moc szczytowa silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM) wzrosła z 1,68 kW/kg w roku 2019 do 2,43 kW/kg w latach 2024–2025, czyli o ok. 45%. Równolegle rosły maksymalne prędkości obrotowe i średnie przełożenia reduktorów.
Wyższe obroty – mniejszy i lżejszy silnik elektryczny
Moc mechaniczna na wale jest iloczynem momentu obrotowego i prędkości kątowej. Przy tej samej mocy silnik pracujący z wyższą prędkością obrotową potrzebuje więc w danym punkcie pracy mniejszego momentu. Ponieważ moment zależy przede wszystkim od objętości wirnika, można ograniczyć wymiary elementów czynnych silnika. W badaniu RWTH redukcja gabarytów polegała głównie na zmniejszeniu średnic stojana i wirnika, a długość czynna pakietów blach zmieniała się w mniejszym stopniu.
Większe przełożenie reduktora pozwala przekształcić wysoką prędkość wału w większy moment na kołach. O efekcie decyduje jednak dopasowanie charakterystyki silnika do przełożenia. Znaczenie ma m.in. prędkość bazowa, przy której silnik przechodzi z zakresu w przybliżeniu stałego momentu do zakresu stałej mocy. Przesunięcie tej granicy w górę daje większy potencjał zmniejszenia silnika niż samo podniesienie jego maksymalnej prędkości obrotowej.
Przykład obliczeniowy: aby oddać na wale 200 kW, silnik musi rozwijać ok. 106 Nm przy 18 000 obr./min, ale tylko ok. 64 Nm przy 30 000 obr./min. W samochodzie reduktor zwiększa moment przekazywany na koła, proporcjonalnie zmniejszając ich prędkość obrotową względem wału silnika. W rzeczywistym układzie część mocy pochłaniają straty w przekładni, więc moment na wyjściu zależy również od jej sprawności.
BYD i ZF – podobne obroty, różne przełożenia reduktora
W marcu 2025 r. BYD zaprezentował architekturę Super e-Platform, przewidzianą m.in. dla modeli Han L i Tang L. W analizowanej przez RWTH wersji Tang L tylny silnik osiąga 30 500 obr./min, a przełożenie reduktora wynosi 10,9:1. W porównywanym Volkswagenie ID.3 jest to 16 000 obr./min i 11,5:1. Według autorów dobór przełożenia w modelu BYD sugeruje, że wysoką prędkość wirnika wykorzystano przede wszystkim do zwiększenia prędkości maksymalnej pojazdu. Z możliwości zmniejszenia silnika skorzystano zatem – zdaniem badaczy – co najwyżej częściowo.
W listopadzie 2026 r. ZF przedstawił napęd High Revolution Drive, który łączy silnik, falownik i przekładnię w jednym module. Ponieważ silnik osiąga do 30 000 obr./min, zastosowano dwustopniowy reduktor o przełożeniu ok. 18:1. Dla tej konfiguracji ZF podaje moc szczytową 200 kW i szczytowy moment na kołach 3500 Nm. Według dostawcy moduł jest o blisko 25% lżejszy od porównywalnego napędu SELECT o maksymalnej prędkości 18 000 obr./min, a masa magnesów spadła o połowę. Start produkcji seryjnej zaplanowano do 2030 r.
Wirnik, blachy i reduktor pod większym obciążeniem
Obciążenia mechaniczne wirnika rosną z kwadratem prędkości obrotowej. Projekt reduktora musi też uwzględniać hałas i drgania (NVH). W napędzie ZF parametry uzębienia i łożysk dobierano wspólnie z konstrukcją silnika. Z kolei w silnikach badanych przez RWTH przy wyższych częstotliwościach przemagnesowania stosowano coraz cieńsze blachy elektrotechniczne, które ograniczają straty wiroprądowe. W pojazdach z lat 2024–2025 upowszechniły się blachy o grubości 0,25 mm.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
W silniku napędzającym tylną oś BYD Tang L pakiet stojana wykonano z blach o grubości 0,20 mm, a pakiet wirnika – z blach o grubości 0,35 mm. Zdaniem badaczy grubsze blachy wirnika mogły być potrzebne do zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej pakietu przy prędkości 30 500 obr./min.
Bezpośrednie chłodzenie olejem – co oznacza dla serwisu?
W pojazdach z lat 2019–2021 dominowało chłodzenie silnika płaszczem cieczowym. W badanych pojazdach z lat 2024–2025 częściej stosowano bezpośrednie chłodzenie olejem. Zależnie od konstrukcji olej odbiera ciepło m.in. z czół uzwojeń i pakietów blach. W silniku napędzającym tylną oś BYD Tang L olej przepływa kanałami biegnącymi wzdłuż magnesów wirnika. Poprowadzenie tych kanałów wewnątrz pakietu blach zwiększa wymagania dotyczące jego szczelności.
Warsztat musi więc wiedzieć, jak poprowadzono obieg oleju. Z dokumentacji konkretnej wersji napędu wynika, czy olej służy wyłącznie do smarowania reduktora, czy także odbiera ciepło bezpośrednio z silnika. W tym drugim przypadku istotne są również właściwości cieplne i dielektryczne oleju. Jego specyfikację i procedurę kontroli poziomu określa producent pojazdu; zamienniki wymagają potwierdzonej zgodności.
Źródła informacji: RWTH Aachen, BYD, ZF
