In den letzten Jahren haben Umweltbelange, Energiekrisen und der Treibhauseffekt den rapiden Aufstieg der Elektromobilität angetrieben. Der Antriebsmotor als Kernkomponente eines Elektrofahrzeugs beeinflusst direkt die Leistung des elektrischen Antriebssystems. Mit der stetigen Entwicklung hin zur Permanentmagnetisierung, Hochgeschwindigkeit und Integration stellen sich dem Antriebsmotor zahlreiche Herausforderungen in Bezug auf Strukturdesign, Kühlung und Wärmeabfuhr. Ein aktueller Überblick über den Stand der Technik, die Herausforderungen und zukünftigen Entwicklungsrichtungen liefert eine Studie, die recently in der Zeitschrift „Journal of Shenyang University of Technology“ veröffentlicht wurde.
Antriebsarten: Zentralantrieb vs. Verteilte Antriebe
Die Antriebsarten von Elektrofahrzeugen unterteilen sich hauptsächlich in Zentralantrieb und verteilten Antrieb. Beim Zentralantrieb wird ein Hauptantriebsmotor anstelle des Verbrennungsmotors in herkömmlichen Fahrzeugen eingesetzt, der über Getriebe, Differential und andere mechanische Komponenten die Leistung auf die Räder überträgt. Diese Technologie zeichnet sich durch eine reife Montagetechnik und hohe Zuverlässigkeit aus, hat jedoch den Nachteil eines niedrigen Übertragungswirkungsgrads und begrenztem nutzbaren Innenraum.
Verteilte Antriebe gliedern sich weiter in Radnabenmotorantrieb und Radmotorantrieb. Beim Radnabenmotorantrieb wird jedes Antriebsrad von einem separaten Motor angetrieben, der jedoch nicht im Rad selbst integriert ist, sondern über ein Getriebe mit dem Rad verbunden ist. Beim Radmotorantrieb hingegen ist der Motor direkt im Rad untergebracht. Im Vergleich zum Zentralantrieb entfällt bei verteilten Antrieben das mechanische Differential, was Vorteile wie präzisere Steuerung und höheren Übertragungswirkungsgrad mit sich bringt. Sie werden daher als wichtige Entwicklungstrend für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen angesehen, müssen aber noch Probleme wie hohe ungefederte Massen, dynamische Dichtungen, Wärmemanagement und synchronisierte Steuerung mehrerer Motoren lösen. Derzeit dominiert jedoch weiterhin der Zentralantrieb in der Elektromobilität.
Arten von Antriebsmotoren und ihre Anwendungen
Aktuell werden für den Zentralantrieb hauptsächlich Gleichstrommotoren, Asynchronmotoren, Reluktanzmotoren, permanenterregte Synchronmotoren und fremderregte Synchronmotoren eingesetzt, each with spezifischen Eigenschaften und Anwendungsgebieten.
Gleichstrommotoren zeichnen sich durch eine einfache Struktur, eine glatte Drehzahlregelung und eine ausgereifte Steuerungstechnik aus. In frühen Elektrofahrzeugmodellen wurden sie häufig verwendet, haben aber aufgrund von Nachteilen wie hohem Lärm und vielen Ausfällen an Bedeutung verloren.
Asynchronmotoren bieten hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten, haben aber einen niedrigen Leistungsfaktor. Sie werden hauptsächlich von amerikanischen und einigen europäischen Herstellern wie Tesla, Ford und Chevrolet eingesetzt. Ein Grund liegt in der Vermeidung von Seltenerdmaterialien – Asynchronmotoren enthalten keine Permanentmagnete und sind somit nicht anfällig für Entmagnetisierung. Zudem zeigen sie bei hohen Geschwindigkeiten, wie sie auf europäischen Autobahnen üblich sind, einen höheren Wirkungsgrad.
Reluktanzmotoren zeichnen sich durch eine einfache Struktur und hohe Zuverlässigkeit aus, da ihr Rotor keine Spulen oder Permanentmagnete aufweist. Ihre Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik entspricht gut den Anforderungen von Elektrofahrzeugen, aber hohe Drehmomentpulsationen und Lärm beeinträchtigen den Fahrkomfort, weshalb sie in der Elektromobilität selten Anwendung finden.
Permanenterregte Synchronmotoren (PMSM) dominieren derzeit den Markt der Elektrofahrzeuge aufgrund ihrer hohen Effizienz und Leistungsdichte. Sie werden nach ihrer Rotorstruktur in bau-integrierte und Oberflächenmagnettypien unterteilt. Bau-integrierte PMSMs nutzen Reluktanzdrehmoment, um den Einsatz von Permanentmagneten zu reduzieren und Kosten zu senken. Sie finden sich in Fahrzeugen von Toyota, Honda, Hyundai, Volkswagen und BMW.
Fremderregte Synchronmotoren gewinnen an Bedeutung, da sie eine anpassbare Erregung und hohen Wirkungsgrad bieten. Unternehmen wie BMW (mit dem iX3), ZF, Valeo und Renault arbeiten an der Entwicklung solcher Motoren. Herausforderungen bestehen jedoch in der zusätzlichen Stromversorgung der Rotorspulen und den Erregungsverlusten.
Um die Abhängigkeit von Seltenerdmaterialien zu verringern, rücken auch Seltenerd-armen oder -freien Permanentmagnetmotoren in den Fokus. Ansätze umfassen die Steigerung des Reluktanzdrehmoments durch mehrlagige Rotorstrukturen, den Einsatz von Leichtseltenen Erden anstelle von Schwer seltenen Erden oder die Verwendung von Ferriten. Obwohl diese Technologien noch an Effizienz und Drehmomentdichte fehlen, werden sie intensiv weiterentwickelt.
Topologie von Antriebsmotoren
Die Entwicklung von Antriebsmotoren wird maßgeblich durch Fortschritte in der Rotor- und Statorstruktur bestimmt, die auf Effizienzsteigerung, Leistungsdichte und Hochgeschwindigkeitsbetrieb abzielen.
Bei Rotoren von PMSMs zeigt sich eine klare Tendenz zur Optimierung der Magnetanordnung und Materialien. So nutzt Toyota in der Prius-Reihe verschiedene Rotortopologien: Von der geraden Anordnung in der Prius I über V-förmige Strukturen in der Prius II bis hin zu chevron-förmigen Magneten in der Prius IV, die den Einsatz von Permanentmagneten reduzieren und die Drehmomentdichte steigern. Höhere Drehzahlen (bis zu 17.000 U/min in der Prius IV) erfordern zudem Maßnahmen zur Steigerung der Rotorfestigkeit, wie z. B. zusätzliche Magnetbrücken und Leichtbau-Designs.
Hochgeschwindigkeitsmotoren, wie sie in Modellen wie dem Tesla Model S Plaid, dem Zeekr 001FR und dem Xiaomi V8s eingesetzt werden, erreichen Drehzahlen von über 20.000 U/min. Um die mechanische Stabilität bei solchen Geschwindigkeiten zu gewährleisten, werden Rotoren mit Kohlenstofffaserverbundummantelungen versehen. Diese bieten eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht, beeinträchtigen jedoch die Wärmeabfuhr, was ein Risiko für die Entmagnetisierung von Permanentmagneten darstellt.
Bei Statoren liegt der Fokus auf Wicklungsdesigns, die den Wirkungsgrad steigern und Verluste minimieren. Haarnadelnwicklungen (Hairpin-Wicklungen) haben sich hierbei durchgesetzt, da sie eine hohe Spulenfüllung und niedrige elektrische Widerstände bieten. Unternehmen wie BMW (i7), Tesla (Model Y) und Volkswagen (ID.4) setzen diese Technologie ein. Weiterentwicklungen wie Stufenwicklungen (bei Denso) oder X-Pin-Wicklungen (bei GAC Aion) zielen darauf ab, die Wicklungsenden zu verkürzen und thus den Wirkungsgrad zu steigern.
Materialien für Statorkerne spielen ebenfalls eine zentrale Rolle. Hohe Festigkeit und niedrige Verluste werden durch spezielle nichtorientierte Siliziumstähle erreicht, wie sie von JFE, Nippon Steel, Baosteel und Wuhan Iron and Steel produziert werden. Dünnere Bleche (0,25 mm statt 0,35 mm) reduzieren Eisenverluste, wie am Beispiel des Nissan Leaf II gezeigt. Neue Materialien wie amorphe Legierungen bieten noch niedrigere Verluste, sind aber aufgrund ihrer Sprödigkeit schwierig zu verarbeiten und derzeit selten im Einsatz.
Wärmeanalyse und Kühlsysteme
Hohe Leistungsdichten führen zu erhöhten Wärmeentwicklungen in Antriebsmotoren, was zu Entmagnetisierung von Permanentmagneten oder Schädigungen von Isoliermaterialien führen kann. Daher sind effiziente Wärmemanagement-Systeme unverzichtbar.
Methoden zur Temperaturanalyse umfassen vereinfachte Formeln, thermische Netzwerkmodelle (LPTN) und numerische Simulationen (FEM und CFD). Kombinierte Ansätze, wie die Kopplung von CFD und LPTN, verbessern Genauigkeit und Rechengeschwindigkeit. So verwenden einige Forscher CFD, um Wärmeübergangskoeffizienten zu berechnen, die anschließend in LPTN-Modellen eingesetzt werden, um die Temperaturverteilung zu bestimmen.
Kühlsysteme unterteilen sich in Luft- und Flüssigkeitskühlung. Luftkühlung ist einfach aber für Hochleistungsanwendungen unzureichend. Flüssigkeitskühlung mit Wasser oder Öl bietet eine effektivere Wärmeabfuhr und wird daher hauptsächlich in Elektrofahrzeugen eingesetzt.
Wasserkühlung nutzt Kühlkanäle im Gehäuse, die in verschiedenen Konfigurationen (spiralförmig, ringförmig, axial) ausgeführt sein können. Neue Entwicklungen umfassen magnetische Barrieren im Statorgehäuse, die die Wärmeabfuhr verbessern, oder Kammerstrukturen in Kühlrohren, die den Wärmeübergang erhöhen.
Ölkühlung wird zunehmend von Herstellern wie Toyota (Prius), Tesla (Model 3) und BYD (DMI) bevorzugt. Direkte Ölsprühkühlung von Wicklungsenden oder integrierte Kanäle in Statorzähnen sorgen für eine gezielte Wärmeabfuhr. Herausforderungen bestehen in der Vermeidung von Ölverunreinigungen (z. B. durch Schweißreste bei Flachdrahtwicklungen) und der geringen Wärmeleitfähigkeit von Öl im Vergleich zu Wasser.
Neue Ansätze umfassen den Einsatz von wärmeleitenden Isoliermaterialien, wie keramischen Kompositen, oder die Integration von Wärmerohren, um Wärme aus schwer zugänglichen Bereichen abzuführen. 3D-Drucktechnologien ermöglichen zudem komplexe Kühlstrukturen, wie hohle Leiter mit integrierten Kühlkanälen, obwohl hier noch Probleme bei der Herstellung und Dichtigkeit zu lösen sind.
Zukunftsperspektiven
Die Entwicklung von Zentralantriebsmotoren für Elektrofahrzeuge wird von mehreren Trends geprägt:
- Reduzierung von Seltenerdmaterialien: Die Abhängigkeit von Seltenerden treibt die Entwicklung von fremderregten Synchronmotoren und Seltenerd-armen PMSMs an. Unternehmen wie BMW und BorgWarner investieren hier intensiv, um Kosten zu senken und Versorgungsketten zu stabilisieren.
- Hochgeschwindigkeitsmotoren: Drehzahlen von über 20.000 U/min werden durch verbesserte Rotormaterialien (Kohlenstofffaserverbunde) und optimierte Kühlsysteme ermöglicht. Herausforderungen bestehen in der Minimierung von Verlusten bei hohen Frequenzen und der Gewährleistung der thermischen Stabilität.
- Effiziente Wärmemanagement: Neue Kühlkonzepte, wie integrierte Ölkanäle in Statorzähnen oder hohle Leiter, werden kombiniert mit fortschrittlichen Materialien, um die Wärmeabfuhr zu maximieren.
- Innovative Topologien: Modulare Motoren, die Antrieb, Getriebe und Elektronik integrieren, sowie neuartige Wicklungsdesigns (z. B. kontinuierliche Wellenwicklungen) werden die Leistungsdichte weiter steigern.
- Nachhaltige Materialien: Die Entwicklung von umweltfreundlichen Magnetmaterialien und recycelbaren Komponenten wird an Bedeutung gewinnen, um den ökologischen Fußabdruck zu verringern.
Insgesamt zeigt die Entwicklung eine klare Tendenz hin zu leichteren, effizienteren und kostengünstigeren Antriebsmotoren, die die Elektromobilität weiter vorantreiben werden. Die Kombination aus materialtechnischen Innovationen, fortschrittlichen Simulationen und integrierten Systemlösungen wird der Schlüssel zu zukünftigen Fortschritten sein.
Autorenangaben:
Jiaguanglong, Ju Xiaowei, Zhao Ze, Zhang Fengge (National Engineering Research Center for Rare-Earth Permanent Magnet Machines und School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, China)
Zeitschrift: Journal of Shenyang University of Technology
DOI: 10.7688/j.issn.1000-1646.2024.05.04