Durchbruch bei E-Auto-Motor: Mehrschicht-Magnet erreicht Höchstleistung
Im dynamischen Feld der Elektromobilität, wo Leistung, Effizienz und Fahrkomfort oberste Priorität haben, markiert eine neue Forschungsarbeit einen bedeutenden Fortschritt in der Technologie permanenterregter Synchronmotoren. Ein Team der Hochschule für Elektro- und Informationstechnik der Universität für Wissenschaft und Technologie Anhui entwickelte und optimierte einen neuartigen mehrschichtigen eingebetteten Permanentmagnet-Synchronmotor speziell für Hairpin-Wicklungen in Elektrofahrzeugen.
Dieses innovative Motordesign verspricht höhere Leistungsdichte, verbesserte Effizienz sowie deutlich reduzierte Drehmomentwelligkeit und Rastmoment – drei Schlüsselfaktoren, die direkt das Fahrerlebnis und die Gesamtleistung moderner E-Fahrzeuge beeinflussen.
Die unter Leitung von Dr. Han Lin, außerordentlicher Professor und Master-Betreuer, zusammen mit den Doktoranden YuHang Zhang, ZhongGen Wang und TianLong Deng durchgeführte Forschung wurde im Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science) veröffentlicht. Ihre Arbeit präsentiert einen umfassenden Ansatz zur Motoroptimierung, der fortschrittliche elektromagnetische Modellierung, Finite-Elemente-Analyse und anspruchsvolle Optimierungstechniken kombiniert.
Angesichts der fortschreitenden Elektrifizierung der globalen Automobilindustrie war die Nachfrage nach effizienteren und leistungsstärkeren Elektromotoren nie größer. Herkömmliche Motoren stoßen häufig an Grenzen hinsichtlich Leistungsdichte, thermischem Management und akustischen Eigenschaften. Hairpin-Wicklungstechnologie hat sich als vielversprechende Lösung etabliert, die höhere Nutfüllfaktoren, reduzierte Wechselstromverluste und verbesserte Wärmeableitung gegenüber konventionellen Runddrahtwicklungen bietet.
Der Fokus des Forschungsteams lag auf der Rotorarchitektur, insbesondere auf mehrschichtigen Magnetkonfigurationen innerhalb eines internen Permanentmagnet-Aufbaus. Im Gegensatz zu konventionellen Ein- oder Zweischichtdesigns zeichnet sich der vorgeschlagene Motor durch eine dreischichtige Magnetstruktur aus, die U-förmige, V-förmige und I-förmige Permanentmagnete in einer einzigartigen UV-I-Konfiguration kombiniert. Diese komplexe Anordnung ermöglicht eine präzisere Steuerung der magnetischen Flussverteilung innerhalb des Motors.
Eine der Hauptherausforderungen bei hochtourigen Elektromotoren ist das Auftreten von Drehmomentpulsationen und Rastmoment, die zu Vibrationen, Geräuschen und reduziertem Fahrkomfort führen können. Diese unerwünschten Effekte sind bei innenliegenden Permanentmagnetmotoren aufgrund der Wechselwirkung zwischen Statorzähnen und den magnetischen Polen des Rotors besonders ausgeprägt.
Zur Lösung dieses Problems implementierten die Forscher eine mehrstufige Optimierungsstrategie, beginnend mit Rotorsegmentierung und Schrägstellung. Die segmentierte Schrägstellung ist eine bekannte Technik zur Reduzierung elektromagnetischer Harmonischer durch Einführung einer kontrollierten Fehlausrichtung zwischen Rotorsegmenten. In dieser Studie setzte das Team ein lineares segmentiertes Schrägstellungsdesign mit drei Segmenten und einem Schrägungswinkel von 5 Grad um.
Dieser erste Optimierungsschritt erbrachte bemerkenswerte Ergebnisse: Das Rastmoment wurde um beeindruckende 97,01 % reduziert, während die Drehmomentwelligkeit von 9,91 % auf 3,18 % sank. Obwohl die Gesamtoberwellenverzerrung der Luftspaltflussdichte leicht anstieg, rechtfertigte die Gesamtverbesserung von Laufruhe und Geräuschreduzierung diesen Kompromiss.
Mit deutlich verbesserter Basisperformance durch Schrägstellung verglichen die Forscher vier verschiedene mehrschichtige Magnetkonfigurationen: UU-I, UU, UV und UV-I. Jedes Design wurde anhand key Performance-Indikatoren wie Durchschnittsdrehmoment, Drehmomentwelligkeit, THD der Gegen-EMK und Luftspaltmagnetflussdichte bewertet.
Unter den vier Konfigurationen erwies sich die UV-I-Variante als ausgewogenste und effektivste Lösung. Sie lieferte ein Durchschnittsdrehmoment von 129,19 Nm bei einer Drehmomentwelligkeit von nur 3,18 % und behielt dabei ein relativ geringes Rastmoment von 244,11 mNm bei. Die Gegen-EMK-Wellenform zeigte ausgezeichnete sinusförmige Eigenschaften mit einem THD von nur 2,88 %, was auf minimale Oberwellenverzerrung und smootheren Betrieb hindeutet.
Nach Identifizierung der UV-I-Struktur als optimaler Kandidat konzentrierte sich die nächste Forschungsphase auf die Feinabstimmung der Abmessungen der einzelnen Magnetsegmente. Hier kam die Taguchi-Methode zum Einsatz – eine leistungsstarke statistische Optimierungstechnik, die in ingenieurwissenschaftlichen Designs weit verbreitet ist, um einflussreichste Parameter zu identifizieren und deren optimale Einstellungen mit minimaler Versuchsanzahl zu bestimmen.
Sechs geometrische Schlüsselparameter wurden zur Optimierung ausgewählt: Breite und Gesamtlänge des U-förmigen Magneten, Breite und Gesamtlänge des V-förmigen Magneten sowie Breite und Gesamtlänge des I-förmigen Magneten. Jeder Parameter erhielt fünf verschiedene Stufen, was insgesamt 25 experimentelle Kombinationen basierend auf einem orthogonalen Array ergab. Für jede Kombination wurden Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt.
Die Ergebnisse der Taguchi-Analyse zeigten, dass die Länge des V-förmigen Magneten (D) den signifikantesten Einfluss auf das Durchschnittsdrehmoment hatte und 56,65 % zur Gesamtvariation beitrug. Es folgten die Länge des U-förmigen Magneten (B) mit 20,45 % und die Breite des I-förmigen Magneten (E) mit 14,53 %. Bei der Drehmomentwelligkeit erwies sich die Breite des I-förmigen Magneten (E) als einflussreichster Faktor mit 43,13 %, gefolgt von der Gesamtlänge des I-förmigen Magneten (F) mit 31,48 %.
Basierend auf diesen Erkenntnissen wählten die Forscher die optimale Kombination von Parameterstufen: A(5), B(5), C(4), D(4), E(3), F(5). Diese Konfiguration entspricht spezifischen dimensionsbezogenen Werten, die das Durchschnittsdrehmoment maximieren und gleichzeitig die Drehmomentwelligkeit minimieren.
Nach Anwendung dieser optimierten Geometrie verbesserte sich die Motorleistung weiter: Das Durchschnittsdrehmoment stieg auf 131,28 Nm, die Drehmomentwelligkeit fiel unter 2 % auf 1,78 % und die Grundschwingungsamplitude der Gegen-EMK stieg von 274,09 V auf 279,35 V. Allerdings wurde ein unerwünschter Nebeneffekt beobachtet – das Rastmoment erhöhte sich leicht von 244,11 mNm auf 259,78 mNm.
Zur Lösung dieses Problems griff das Team auf eine fortschrittliche Magnetisierungstechnik zurück, die als Halbach-Array-Magnetisierung bekannt ist. Ein Halbach-Array ist eine spezielle Anordnung von Permanentmagneten, die das Magnetfeld auf einer Seite konzentriert und auf der anderen Seite auslöscht. Im Kontext von Elektromotoren kann partielle Halbach-Magnetisierung zur Formung der Luftspaltflussverteilung verwendet werden, um Oberwellen zu reduzieren und Rastmoment zu minimieren, ohne die Drehmomentdichte zu beeinträchtigen.
Die Forscher wandten Halbach-Magnetisierung selektiv auf verschiedene Schichten des mehrschichtigen Rotors an. Sie testeten vier Konfigurationen: Magnetisierung des I-förmigen Magneten, des V-förmigen Magneten, des geneigten Segments des U-förmigen Magneten und des horizontalen Segments des U-förmigen Magneten. Jede wurde unter einem festen anfänglichen Magnetisierungswinkel von 35 Grad bewertet, wobei die Länge des magnetisierten Segments parametrisch variiert wurde.
Die Ergebnisse waren aufschlussreich: Während alle Konfigurationen gewisse Grade von Rastmomentreduzierung zeigten, demonstrierte der V-förmige Magnet die konsistenteste und effektivste Performance. Mit zunehmender Länge des Halbach-magnetisierten Segments verbesserte sich die Unterdrückung des Rastmoments stetig. Im Gegensatz zum geneigten Segment des U-förmigen Magneten – das einen signifikanten Anstieg der Drehmomentwelligkeit verursachte – behielt der V-förmige Magnet throughout den Optimierungsprozess eine niedrige Drehmomentwelligkeit bei.
Angespornt durch diese Ergebnisse konzentrierte sich das Team ausschließlich auf die Optimierung der Halbach-Magnetisierung des V-förmigen Magneten. Sie führten eine zweite Runde parametrischer Scans durch, diesmal unter Variation sowohl des Magnetisierungswinkels (von 25° bis 45°) als auch der magnetisierten Segmentlänge (von 4 mm bis 16 mm).
Die Analyse zeigte einen klaren Trend: Mit zunehmendem Magnetisierungswinkel stieg die Wirksamkeit der Rastmomentunterdrückung. Dies hatte jedoch seinen Preis – die Drehmomentwelligkeit erhöhte sich ebenfalls und das Durchschnittsdrehmoment begann zu sinken. Bei einem Magnetisierungswinkel von 45° und einer Segmentlänge von 9 mm erreichte das Rastmoment seinen niedrigsten Punkt, reduziert um 45,08 % verglichen mit dem Post-Taguchi-Optimierungszustand. Allerdings stieg die Drehmomentwelligkeit über 2 % und das Durchschnittsdrehmoment sank um 4,59 %.
Auf der Suche nach einer ausgewogeneren Lösung identifizierten die Forscher einen Sweet Spot bei einem Magnetisierungswinkel von 30° und einer Segmentlänge von 9 mm. Bei dieser Einstellung wurde das Rastmoment um 25,43 % reduziert, die Drehmomentwelligkeit blieb außergewöhnlich niedrig bei 1,72 % und das Durchschnittsdrehmoment verringerte sich um nur 2,26 % auf 128,31 Nm. Diese Konfiguration repräsentierte den idealen Kompromiss, der substantiale Geräusch- und Vibrationsreduzierung lieferte, ohne die Kernleistungsmetriken des Motors zu beeinträchtigen.
Der final optimierte Motor demonstrierte beeindruckende Gesamteigenschaften. Unter Volllast mit einem Strom von 400 A zeigte das Wirkungsgradkennfeld einen Spitzenwirkungsgrad von 96,74 % mit einer breiten Hochleistungszone, die einen weiten Bereich an Betriebsbedingungen abdeckte. Der Motor erreichte eine Nennleistung von 134,35 kW bei 10.000 U/min und eine Spitzenleistung von 298 kW bei einer Höchstdrehzahl von 22.000 U/min.
Zur Validierung der Überlegenheit ihres Designs verglichen die Forscher es mit einem zuvor veröffentlichten hairpointgewickelten zweischichtigen V-förmigen IPMSM mit ähnlichen Spezifikationen. Die Ergebnisse waren frappierend: Der neu entwickelte mehrschichtige UV-I-Motor übertraf das Referenzdesign in nahezu jeder Kategorie. Er erreichte ein höheres Nenndrehmoment (128,31 Nm vs. 82,9 Nm), größere Spitzenleistung, höhere Höchstdrehzahl (22.000 U/min vs. 12.000 U/min) und überlegenen Wirkungsgrad.
Aus fertigungstechnischer und praktischer Perspektive bewahrt das vorgeschlagene Design Kompatibilität mit bestehenden Hairpin-Wicklungsproduktionsprozessen, was Skalierbarkeit und Kosteneffektivität sicherstellt. Die Verwendung segmentierter Schrägstellung und selektiver Halbach-Magnetisierung bringt zusätzliche Komplexität mit sich, aber die Forscher argumentieren, dass die Leistungsgewinne den zusätzlichen technischen Aufwand rechtfertigen, insbesondere für Premium-E-Fahrzeuganwendungen, wo Verfeinerung und Effizienz key Verkaufsargumente sind.
Die Studie liefert wertvolle Einblicke in die Rolle individueller Magnetformen innerhalb mehrschichtiger Rotoren. Sie bestätigt, dass V-förmige Magnete den ausgewogensten Einfluss auf die Motorleistung bieten und sowohl Drehmomentproduktion als auch Flusssteuerbarkeit verbessern. Der I-förmige Magnet spielt eine entscheidende Rolle bei der Unterdrückung von Oberwellen und Verbesserung der Wellenformqualität. Der U-förmige Magnet neigt dazu, Welligkeit und Verzerrung zu erhöhen und erfordert sorgfältige Abstimmung.
Diese Forschung exemplifiziert die multidisziplinäre Ingenieursarbeit, die required ist, um die Elektroantriebstechnologie voranzubringen. Durch Kombination von elektromagnetischer Theorie, computergestützter Modellierung, statistischer Optimierung und fortschrittlichen Magnetisierungsstrategien hat das Team einen Motor geschaffen, der die anspruchsvollen Anforderungen der nächsten Generation von Elektrofahrzeugen nicht nur erfüllt, sondern übertrifft.
Während Automobilhersteller weiterhin die Grenzen der E-Fahrzeugleistung verschieben, werden Innovationen wie diese eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Zukunft nachhaltiger Transportation spielen. Die Arbeit von Han Lin, YuHang Zhang, ZhongGen Wang und TianLong Deng an der Universität für Wissenschaft und Technologie Anhui demonstriert, dass selbst innerhalb des etablierten Rahmens von Permanentmagnetmotoren reichlich Raum für bahnbrechende Verbesserungen durch durchdachtes Design und rigorose Optimierung bleibt.
Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), Band 38, Nr. 7, 2024. DOI: 10.3969/j.issn.1674-8425(z).2024.07.029