Neuer Hochleistungsmotor für Elektroautos
Ein bahnbrechender Durchbruch in der Elektromotorentechnologie für Elektrofahrzeuge (EV) ist Wissenschaftlern der Nanjing University of Science and Technology gelungen. Unter der Leitung von Dr. Weiwei Geng hat das Forschungsteam einen neuartigen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) mit einem modularen Fluss-konzentrierenden Rotor entwickelt, der die Leistungsfähigkeit des weit verbreiteten V-förmigen Rotors signifikant übertrifft. Diese Innovation, die in der renommierten Fachzeitschrift Proceedings of the CSEE detailliert beschrieben wird, markiert einen entscheidenden Schritt nach vorn im Streben nach leistungsstärkeren, effizienteren und kompakteren Elektromotoren und adressiert zentrale Herausforderungen, die die Leistung von EVs bisher begrenzt haben.
Das Herzstück dieser neuen Technologie ist eine einzigartige Rotorarchitektur, die zwei etablierte, aber bisher getrennte Konzepte vereint: den Speichenrotor und das Halbach-Permanentmagnet-Array. Speichenrotoren sind dafür bekannt, dass sie magnetischen Fluss konzentrieren können, was zu höherem Drehmoment und höherer Leistungsdichte führt. Sie leiden jedoch traditionell unter einem kritischen Mangel – einer erheblichen magnetischen Flussverluste im inneren Umfang des Rotors. Dieser Verlust verschwendet nicht nur wertvolle magnetische Energie, sondern verringert auch die Gesamteffizienz des Motors und kann zu unerwünschter Erwärmung führen. Auf der anderen Seite bieten V-förmige Rotoren, die zum de-facto-Standard in der EV-Industrie geworden sind (eingesetzt in Fahrzeugen von Tesla, Honda und Toyota), eine gute Balance aus Leistung und Fertigungsgängigkeit mit einem hohen Saliency-Verhältnis, das eine starke Reluktanzdrehmoment und eine ausgezeichnete Feldschwächungsfähigkeit für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglicht. Doch ihr Design beinhaltet strukturelle Stege zur Aufrechterhaltung der mechanischen Integrität, die ungewollt zusätzliche Pfade für magnetische Flussverluste schaffen und die effektive Nutzung der kostspieligen Seltenerd-Magnete beeinträchtigen.
Das Forschungsteam, angeführt von Jing Wang, Dongxu Liu und Caiquan Wu, kombinierte geschickt die besten Eigenschaften beider Ansätze, während es deren Hauptnachteile eliminierte. Durch die Integration des Halbach-Array-Prinzips – das magnetischen Fluss natürlicherweise nach außen in den Luftspalt und weg vom Inneren des Rotors lenkt – mit der Speichen-Topologie entstand eine Struktur, die interne Flussverluste inhärent minimiert. Die entscheidende Innovation war die vollständige Entfernung der traditionellen Eisenstege, die die V-förmigen Designs belastet haben. Ohne diese Stege wird der Pfad für parasitären Fluss unterbrochen, sodass mehr magnetische Energie von den SmCo-Magneten produktiv über den Luftspalt zum Stator geleitet werden kann. Dies führt zu einer wesentlich höheren Flussdichte im Luftspalt, einem fundamentalen Parameter, der direkt mit der Fähigkeit des Motors zur Drehmomenterzeugung korreliert. Die Finite-Elemente-Analyse des Teams bestätigte dies und zeigte eine 12,5-prozentige Erhöhung der Grundwellenamplitude der Flussdichte im Luftspalt im Vergleich zum V-förmigen Rotor, die von 1,12 Tesla auf ein robustes 1,26 Tesla anstieg.
Diese verbesserte Flusskonzentration wird nicht auf Kosten einer anderen kritischen Leistungskenngröße erreicht: dem Saliency-Verhältnis. Das Saliency-Verhältnis, definiert als das Verhältnis der q-Achsen-Induktivität zur d-Achsen-Induktivität (Lq/Ld), ist eine Eckpfeiler des modernen IPMSM-Designs. Ein hohes Saliency-Verhältnis ermöglicht es dem Motor, zusätzlich zum Drehmoment, das von den Permanentmagneten selbst erzeugt wird, ein signifikantes Reluktanzdrehmoment zu erzeugen. Dieser Dual-Torque-Mechanismus ist es, der den IPMSMs ihre hohe Effizienz und Leistungsdichte verleiht. Das neue modulare Rotor-Design erreicht ein maximales Saliency-Verhältnis von 2,01 und übertrifft damit das Verhältnis von 1,95 beim V-förmigen Rotor. Dieser scheinbar kleine numerische Unterschied übersetzt sich in einen erheblichen praktischen Vorteil. Er bedeutet, dass der Motor bei gegebenem Strom mehr Drehmoment erzeugen kann oder umgekehrt bei gleichem Drehmoment mit weniger Strom arbeiten kann, wodurch die ohmschen (Kupfer-) Verluste in den Wicklungen reduziert und die Gesamtsystemeffizienz verbessert wird. Dies wurde in der Drehmomentcharakteristikanalyse der Studie bestätigt, bei der das neue Design ein höheres maximales Reluktanzdrehmoment aufwies, einen entscheidenden Beitrag zu seiner überlegenen Leistung.
Die Leistungsgewinne werden besonders deutlich, wenn man die Ausgangsleistung des Motors betrachtet. Bei maximalem Strom erreichte das neue Design eine maximale Leistung von 61,1 kW, eine deutliche Verbesserung gegenüber den 60,5 kW des V-förmigen Rotors. Der auffälligste Vorteil zeigt sich jedoch im Hochgeschwindigkeitsbereich der Feldschwächung. Bei der maximalen Testdrehzahl von 6.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) hielt der neue Motor eine Leistung von 75,3 kW aufrecht, was 20 Prozent höher ist als die 62,7 kW, die vom V-förmigen Rotor bereitgestellt wurden. Diese überlegene Feldschwächungsfähigkeit ist eine direkte Folge des hohen Saliency-Verhältnisses und des optimierten magnetischen Kreislaufs. Die Analyse des Stromvektordiagramms zeigte, dass der „Kennstrom“ des neuen Rotors die Spannungsgrenzellipse in eine günstigere Position relativ zum Strombegrenzungskreis bringt. Dieser größere überlappende Bereich ermöglicht es dem Motor, bei hohen Drehzahlen ein höheres Drehmoment aufrechtzuerhalten, bevor er an seine Spannungsgrenze stößt, und ermöglicht so einen breiteren konstanten Leistungsbereich. Die Studie quantifizierte dies als ein theoretisches Drehzahlregelungsverhältnis von 2,8:1 im Vergleich zu 2,5:1 beim V-förmigen Rotor. Dieser erweiterte Bereich ist für EVs von entscheidender Bedeutung, da er es ermöglicht, dass ein einzelner Motor effizienter eine breitere Palette von Fahrbedingungen abdeckt, von niedrigen Geschwindigkeiten im Stadtverkehr bis hin zu hohen Autobahngeschwindigkeiten, was möglicherweise die Notwendigkeit komplexer Mehrstufengetriebe reduzieren könnte.
Effizienz ist ein weiterer Bereich, in dem das neue Design hervorragt. Obwohl die höhere Flussdichte zu einer leichten Erhöhung der Kern- (Eisen-) Verluste führt, wird dies mehr als durch die Gewinne in Leistungsausgang und reduzierten Kupferverlusten aufgrund der effizienteren Drehmomenterzeugung ausgeglichen. Die Effizienzkarteanalyse der Studie zeigte, dass der neue Motor einen Spitzenwirkungsgrad von 97,5 Prozent erreicht, verglichen mit 97,0 Prozent beim V-förmigen Rotor. Dieser 0,5-prozentige Unterschied mag marginal erscheinen, aber im Kontext der Gesamtenergiebilanz eines EVs stellt er eine signifikante Verbesserung der Reichweite und des Energieverbrauchs über die Lebensdauer des Fahrzeugs dar. Der Effizienzvorteil bleibt über einen weiten Betriebsbereich erhalten, wobei der neue Motor bei Nennleistung und im Bereich der Feldschwächung eine höhere Effizienz aufweist. Zum Beispiel betrug die Effizienz des neuen Motors bei einem Hochgeschwindigkeits-, Hochleistungspunkt von 5.500 U/min 96,01 Prozent, während die Effizienz des V-förmigen Rotors bei 95,21 Prozent lag. Dieser konsistente Effizienzvorteil ist ein Zeugnis für die ganzheitliche Optimierung des Designs.
Ein kritischer Aspekt jedes Hochleistungsmotors, insbesondere eines, der für die anspruchsvolle Umgebung eines Elektrofahrzeugs konzipiert ist, ist seine mechanische Integrität bei hohen Drehzahlen. Die Entfernung der strukturellen Stege, die zwar für die magnetische Leistung von Vorteil ist, warf jedoch eine erhebliche Sorge hinsichtlich der Fähigkeit des Rotors auf, den immensen Fliehkräften bei 6.000 U/min standzuhalten. Um dies zu beheben, implementierte das Forschungsteam eine robuste strukturelle Lösung: eine 0,5 mm dicke Kohlefaser-Verbundhülle, die um den äußeren Umfang des Rotors gewickelt ist. Kohlefaser ist für sein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bekannt und macht es zu einem idealen Material für den Schutz von Hochgeschwindigkeitsrotoren. Die Finite-Elemente-Spannungsanalyse war eindeutig. Ohne die Kohlefaserhülle würden die äußeren Eisensegmente des Rotors eine maximale Verschiebung von 0,22 mm und eine maximale Spannung von 255 MPa erfahren, Werte, die zu einem katastrophalen Versagen führen könnten. Mit der Hülle in Position wurde die maximale Verschiebung auf ein vernachlässigbares Maß von 0,05 mm reduziert, und die maximale Spannung im Eisen wurde auf etwa 140 MPa begrenzt, weit innerhalb der sicheren Betriebsgrenzen des Materials. Diese erfolgreiche Validierung der strukturellen Integrität des Rotors ist ein entscheidender Schritt, um das Design von einem Laboratoriumskonzept zu einer tragfähigen, realen Ingenieurlösung zu machen.
Die praktische Durchführbarkeit des Designs wurde durch die Konstruktion und rigorose Prüfung eines 30-kW-Prototypmotors mit einer 16-poligen/72-Nuten-Konfiguration weiter bestätigt. Die experimentellen Ergebnisse stimmten hervorragend mit den Simulationen der Finite-Elemente-Analyse überein, was der theoretischen Analyse starke Glaubwürdigkeit verleiht. Die gemessene leere Strich-Strich-gegen-elektromotorische Kraft (gegen-EMF) bei 3.000 U/min betrug 170,5 V, nur 3,7 Prozent niedriger als der simulierte Wert, eine Differenz, die innerhalb akzeptabler Grenzen liegt und auf Faktoren wie die temperaturabhängige Remanenz des Magneten zurückzuführen ist. Effizienztests an verschiedenen Betriebspunkten zeigten eine enge Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment, wobei der maximale experimentelle Wirkungsgrad bei Nennleistung 96,1 Prozent erreichte. Diese erfolgreichen Experimente bestätigen nicht nur die elektromagnetische Leistung des Designs, sondern demonstrieren auch seine Herstellbarkeit und Robustheit unter realen Betriebsbedingungen.
Jenseits der reinen Leistung vertiefte die Forschung auch den kritischen Bereich von Geräusch, Vibration und Härte (NVH), ein entscheidendes Anliegen für die Kundenakzeptanz von EVs. Obwohl das neue Design ein leicht höheres Rastdrehmoment aufwies – eine häufige Geräuschquelle bei niedrigen Geschwindigkeiten – wurde seine Gesamt-NVH-Leistung als vorteilhaft befunden. Die Analyse der radialen elektromagnetischen Kräfte, der primären Quelle von magnetischem Lärm, zeigte, dass beide Motoren signifikante Kraftkomponenten bei niedrigeren Frequenzen aufwiesen, das neue modulare Rotor-Design jedoch deutlich geringere Kraftamplituden im Hochfrequenzbereich aufwies. Dies ist ein entscheidender Vorteil, da Hochfrequenzlärm oft wahrnehmbarer und störender für das menschliche Ohr ist. Die gemessenen Geräuschpegel unter Nennbedingungen waren vergleichbar, wobei der maximale Geräuschpegel des neuen Motors unter 60 dB blieb, was darauf hindeutet, dass die akustische Leistung des Designs gut innerhalb akzeptabler Grenzen für Automobilanwendungen liegt.
Die Implikationen dieser Forschung für die EV-Industrie sind tiefgreifend. Durch die Erzielung einer 11,7-prozentigen Erhöhung sowohl der Drehmoment- als auch der Leistungsdichte im Vergleich zum etablierten V-förmigen Rotor bietet das neue Design einen klaren Weg zu kompakteren und leichteren Motoren. Dies kann zu erheblichen Vorteilen führen, darunter eine erhöhte Fahrzeugreichweite, ein verbessertes Fahrverhalten aufgrund geringerer ungefederten Massen und eine größere Designflexibilität für Automobilhersteller. Der größere Innenradius des neuen Designs (157 mm gegenüber 140 mm) ist ein weiterer signifikanter Vorteil, da er mehr Platz für die Integration von Komponenten wie Sensoren, Kühlsystemen oder sogar einer sekundären Maschine bietet und so die Gesamteffizienz und Kompaktheit des elektrischen Antriebssystems verbessert. Darüber hinaus eröffnet die erfolgreiche Verwendung einer Kohlefaserhülle zur Sicherstellung der strukturellen Integrität die Tür für noch schneller laufende Designs in der Zukunft und erweitert so die Grenzen der EV-Leistung.
Zusammenfassend präsentiert die Arbeit von Wang, Geng, Liu, Wu, Lei, Qiang und Jian von der Nanjing University of Science and Technology eine umfassende und äußerst erfolgreiche Neugestaltung des IPMSM-Rotors. Indem sie die Prinzipien des Speichen- und Halbach-Designs gedanklich verbanden und die nachteiligen Stege eliminierten, schufen sie einen modularen, hochsaliency-Fluss-konzentrierenden Rotor, der einen neuen Standard für die EV-Motorleistung setzt. Seine überlegene Drehmoment- und Leistungsdichte, sein breiterer Drehzahlbereich, seine höhere Effizienz und die validierte strukturelle Integrität machen es zu einem überzeugenden Kandidaten für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen. Diese Forschung erweitert nicht nur den Stand der Technik im Motordesign, sondern bietet auch eine praktische, experimentell verifizierte Lösung, die bald in den Antriebssträngen zukünftiger EVs zum Einsatz kommen könnte und die Branche auf dem Weg zu größerer Effizienz und Leistung voranbringt. Jing Wang, Weiwei Geng, Dongxu Liu, Caiquan Wu, Lei Li, Qiang Li, Jian Guo, Nanjing University of Science and Technology, Proceedings of the CSEE, DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.222707