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Auslegung eines Radnabenantriebs für ein
Elektrofahrzeug
Peter Jurczys
Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik
Leibniz Universität Hannover
I. EINLEITUNG
Durch die schrittweise Elektrifizierung der Straßenfahrzeuge steht der
deutschen Automobilbranche in den nächsten Jahren eine Phase
fundamentaler Veränderungen bevor. Dieser Wechsel bieten Chancen
sich in puncto Umwelttechnologie in einer Führungsrolle zu
positionieren. Vor diesem Hintergrund werden die deutschen
Automobilhersteller und Zulieferer vor neue Herausforderungen
gestellt. Eine der technischen Aufgaben besteht in der Erarbeitung
eines optimalen Antriebsstrangs für zukünftige Fahrzeuge. Hierbei
bildet die Anbindungsmöglichkeit der elektrischen Maschine an den
Antriebsstrang eine Design-Variable.
Eine innovative Bauform ist der Radnabenantrieb, bei dem der
Elektromotor direkt in die Radnabe integriert wird. Aus dem Wegfall
des konventionellen Antriebsstrangs bestehend aus Schaltgetriebe,
Differentialgetriebe und Antriebswellen sowie den damit
verbundenen Reibungsverlusten resultieren Effizienzsteigerung und
Reduktion der Verschleißteile. Des Weiteren werden hinsichtlich des
innovativen Fahrzeugdesigns neue Freiheiten geschaffen. Angesichts
des dezentralen Antriebs können völlig neuartige Fahrzeugkonzept
entstehen, deren Form gänzlich von heutigen Fahrzeugen abweicht.
Der Einsatz von Radnabenmotoren stellt extreme Ansprüche an die
elektrische Maschine. Aufgrund des eingesparten Getriebes sind die
Drehmomentanforderungen sehr hoch, wodurch in Verbindung mit
begrenztem Bauraum und Gewicht die Auslegung des Elektromotors
erheblich erschwert wird. Die Anforderung nach hoher
Drehmomentdichte motiviert zum Einsatz von hochausgenutzten
permanentmagneterregten Synchronmotoren. Da die Räder
Schmutzwasser und anderen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind,
müssen Radnabenmotoren gekapselt ausgeführt werden. Diese
Besonderheit beeinträchtigt die Kühlung bestimmter
Maschinenkomponenten. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand ist
die Sicherheit des Antriebs, da keine Trennungsmöglichkeit zwischen
Motor und Fahrzeug besteht.
Im Rahmen der Diplomarbeit wurde ein hochausgenutzter
permanentmagneterregter Synchronmotor ausgelegt und die oben
genannten Ziele, hohe Drehmomentdichte, geeignete Kühlung sowie
ein sicheres Verhalten im Fehlerfall, untersucht. Zu diesem Zweck
wurden zahlreiche Maschinenmodelle mit Hilfe der Finiten Elemente
Methode aufgebaut und optimiert sowie ein transientes
Simulationsmodell für thermische Untersuchungen erarbeitet.
II.
ELEKTROMAGNETISCHE AUSLEGUNG
Um die Drehmomentanforderungen bestmöglich zu erfüllen, wurden
zwei hochausgenutzte permanentmagneterregte Synchronmotoren
entwickelt, optimiert und hinsichtlich wichtiger Kenngrößen und
Eigenschaften miteinander verglichen. Bei den gegenübergestellten
Motoren handelt es sich um eine Maschine mit Oberflächenmagneten
(Konzept 1) und eine Maschine mit vergrabenen Magneten in V-
Form (Konzept 2). Für beide Radnabenmotoren kommen Zahnspulenwicklungen
zum Einsatz. Im Vergleich zu verteilten
Wicklungssystemen kann dadurch ein besonders kleiner Wickelkopf
gefertigt werden, sodass die axiale Länge der Maschine verkürzt und
die Stromwärmeverluste im Wickelkopf verringert werden können.
Zahnspulenwicklungen können darüber hinaus mit höheren
Nutfüllfaktoren gewickelt werden, was eine bessere
Aktivteilausnutzung ermöglicht.
Im Rahmen der Arbeit wurde gezeigt, dass Motoren mit
Oberflächenmagneten als Direktantrieb in einer Radnabe besser
geeignet sind als Motoren mit V-förmig vergrabenen Magneten. Ein
wichtiges Vergleichskriterium bilden die Drehmomentverläufe der
Maschinen, die in Abbildung 1 gegenübergestellt sind.
Abbildung 1: Gegenüberstellung der Drehmoment-Drehzahl-
Kennlinien der beiden Maschinenkonzepte
Die gesamte Masse der beiden Maschinen sowie der
Außendurchmesser und die Länge unterscheiden sich nicht. Die
Maschine mit V-förmig vergrabenen Magneten enthält etwa 11%
mehr Permanentmagnetmaterial. Angestrebt wurde das
elektromagnetisch optimale Design eines Motors mit vergrabenen
Magneten in V-Form. Die fertigungstechnische Umsetzung der
vorgesehenen Flusssperren ist anspruchsvoll und weiter zu
untersuchen. Werden diese nicht oder nur teilweise ausgeführt, ist mit
einer Abnahme der Drehmoment-dichte zu rechnen.
Bei den Berechnungen der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien der
beiden Maschinenkonzepte wurde die sättigungsabhängige
Veränderung der Induktivität berücksichtigt und es wurde gezeigt,
dass die Annahme konstanter Induktivitäten bei hochausgenutzten
Motoren zu unzulässigen Fehlern führt. Da es sich bei der Maschine
nach Konzept 2 um einen permanentmagneterregten Synchronmotor
mit Reluktanz-moment handelt, muss eine Regelung zur optimalen
Ausnutzung der Maschine ebenfalls berücksichtigt werden. Die
Stromaufteilungen in d- und q-Anteil zur Berechnung der
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien wurden mit hinterlegten
sättigungsabhängigen Induktivitäten iterativ bestimmt.
Die aus diesem Vorgehen gewonnenen Erkenntnisse konnten im
späteren Verlauf der Arbeit zur genaueren Bestimmung der
Maschinenverluste mittels einer Finite-Elemente-Software genutzt
werden.
Der Nachteil von Maschinen mit Zahnspulenwicklungen ist, dass sie
ein dicht besetztes Oberwellenspektrum generieren, was zu
Wirbelstromverlusten in den Permanentmagneten führt. Aufgrund der
relativ guten elektrischen Leitfähigkeit der Permanentmagnete
können die Wirbelstromverluste beträchtliche Werte annehmen und
die Magnete über die zulässigen Grenzen hinaus erwärmen. Die von
der Ständerwicklung erzeugten Oberwellen sind für den Großteil der
Verluste in den Permanentmagneten verantwortlich. Die restlichen
Permanentmagnetverluste werden durch Leitwert-wellen erzeugt,
welche durch die Finite-Elemente-Software ebenfalls berücksichtigt
werden. In einer Parameterstudie wurde die Auswirkung der
Magnetsegmentierung auf die Wirbelstromverluste untersucht. Die
höchsten Wirbelstrom-verluste treten bei der maximalen Drehzahl auf
und sind in Abbildung 2 dargestellt.

Zur Untersuchung der Notlaufeigenschaft des Radnaben-antriebs
wurde ein Finite-Elemente-Modell erstellt. In diesem wurde den
Wicklungen eines Strangsystems die Eigenschaft zugewiesen, dass
der Fluss durch sie zu jedem Zeitpunkt Null ergibt. In den
Wicklungen stellen sich somit zwangsläufig die Kurzschlussströme
ein. In Abbildung 3 sind die Amplitude der magnetischen
Flussdichte und die Feldlinien für einen Maschinenausschnitt
dargestellt.
Abbildung 2: Verluste in den Permanentmagneten bei 1250 1/min
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Segmentierung der
Magnete in kleine Magnetplättchen eine geeignete Maßnahme zur
Verringerung der Magnetverluste ist. Die beträchtlichen Verluste
ohne Segmentierung machen dies unverzichtbar.
III.
THERMISCHE AUSLEGUNG
Im folgenden Kapitel wird ein thermisches Modell für den Motor
nach Konzept 1 erarbeitet. Aspekte der thermischen Belastbarkeit
rücken besonders bei hochausgenutzten Maschinen in den Fokus.
Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaften
muss bereits bei der Auslegung des Antriebs ein geeignetes
Kühlkonzept entwickelt werden, um sowohl die elektromagnetische
Performance als auch die geforderte Beständigkeit zu gewährleisten.
Zu diesem Zweck wurde ein transientes Netzwerk der Maschine für
die Wärmeflussberechnung erstellt. Mit Hilfe des Netzwerks wurde
ermittelt, dass die projektierten Stromdichten über den gesamten
Drehzahlbereich der Maschine thermisch zulässig sind. Darüber
hinaus sind mit dem erstellten Netzwerk Parameterstudien möglich,
die den thermischen Einfluss von Fertigungstoleranzen aufzeigen.
Ein zusätzlicher Gewinn der vorliegenden Untersuchung besteht
darin, dass die zulässige Dauer eines Überlastbetriebes mit dem
transienten Wärmequellennetz bestimmt werden kann.
IV.
AUSFALLSICHERHEIT DER MASCHINE
Treten während des Betriebes bei hohen Drehzahlen Fehler auf,
durch die der feldschwächende Strom nicht mehr eingeprägt werden
kann, soll die Maschine über die Leistungshalbleiter kurzgeschlossen
werden. Dieser sichere Betriebszustand des aktiven Kurzschlusses
verhindert, dass die induzierte Spannung zu Überspannungen an den
Maschinenklemmen führt und die Leistungshalbleiter zerstört. Im
Rahmen der Diplomarbeit wurde ein Synchronmotor entwickelt, der
den redundanten Betrieb ermöglicht. Um die Redundanz des hier
vorgestellten Antriebskonzeptes zu gewährleisten müssen drei
Voraussetzungen erfüllt sein:
Die Maschine muss kurzschlussfest sein.
Eine weitere Forderung ist die Ausfallsicherheit eines
Wechselrichters. Der 6-strängige Radnabenantrieb wurde zu
diesem Zweck mit zwei 3-strängigen Wicklungen im Ständer
ausgeführt, die von zwei separaten Pulswechselrichtern
gespeist werden.
Soll die Maschine bei Ausfall eines Umrichters 3-strängig
weiter betrieben werden, kommt neben der
Kurzschlussfestigkeit eine weitere Bedingung hinzu: die
magnetische Kopplung zwischen den Strangsystemen muss
möglichst gering sein.
Abbildung 3: Flussdichte und Feldlinienverlauf im 3-strängigen
Notlaufbetrieb bei 550 1/min
Der abgebildete Maschinenausschnitt zeigt die Induktionsamplitude
und die Feldlinien des Motors beim Kurzschließen eines
Strangsystems. Der Effektivwert der Ströme in den kurzgeschlossenen
Wicklungen unterschreitet den Nennstrom und ist
somit dauerhaft zulässig. Die Zähne des kurzgeschlossenen Stranges
4 sind vollkommen entsättigt, lediglich in den Zahnköpfen bilden
sich Feldlinien aus. Die Feldlinien, die sich an dieser Stelle über den
Luftspalt schließen, können parasitäre Pendelmomente hervorrufen.
Nach der Optimierung entspricht das Drehmoment im Notlaufbetrieb
nahezu dem halben Wert des 6-strängigen Antriebs und weist nur
eine geringe Drehmomentwelligkeit auf.
V. RESÜMEE
Die optimale Anbindung der elektrischen Maschine an den
Antriebsstrang ist ein zentrales Thema bei der Entwicklung von
Elektrofahrzeugen. Als spezielle Bauform wurde in dieser
Diplomarbeit der Radnabenantrieb untersucht. Dabei wurden die
wichtigsten Herausforderungen detailliert beleuchtet und
Lösungswege aufgezeigt. Durch den Einsatz von modernen
Materialien und der damit möglichen hohen Drehmomentdichte, von
bis zu 1000 Nm je Motor, stellen bereits zwei der dimensionierten
Motoren in den hinteren Rädern einen vollwertigen Antrieb für
Kraftfahrzeuge der Kompakt sowie Mittelklasse dar. Zur Erhöhung
der Ausfallsicherheit des Radnabenantriebs wurde im Rahmen der
Diplomarbeit das Verhalten des Antriebs im Fehlerfall untersucht und
die Redundanz des Konzepts bestätigt. Die Einbindung des
vorgestellten transienten, thermischen Maschinenmodells in das
Regelkonzept des Fahrzeugs kann zu einer noch höheren Ausnutzung
der Motoren führen. Durch den zusätzlich gewonnenen Bauraum und
die Gewichtsreduzierung bieten derart hochausgenutzte Radnabenantriebe
Möglichkeiten für innovative, kompakte Fahrzeuge
mit enormem Potenzial in Sachen CO 2 -Emissionen und Fahrspaß.