Entwicklung eines Radnabenmotors für ein Elektrofahrzeug

Der Übergang von Verbrennungs- auf Elektro­motoren als Fahrzeugantriebe erlaubt die Realisierung völlig neuer Fahrzeugkonzepte. Beson­ders attraktiv ist dabei, aus Platz- und Perfor­mancegründen, jedes Rad mit einem separaten Elektromotor anzutreiben.

Von der Fraunhofer Gesellschaft wurde dazu ein vom BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) gefördertes Verbundprojekt gestartet, in dem ein völlig neues Fahrzeugkonzept entwickelt werden soll. Im Rahmen dieses Projektes werden unter Mitwirkung des IAL Radnabenmotoren (RNM) ausgelegt.

Die Vorteile des Radnabenantriebs bestehen im Wegfall des klassischen Antriebsstranges mit Getriebe, Differential und Antriebswellen, was den Bauraum, die Massen und die Reibungsverluste verringert und eine Reduzierung der Verschleißteile und des Wartungsaufwands im Fahrzeug bewirkt. Der eingesparte Bauraum kann zur Unterbringung der Batterie oder als Stauraum genutzt werden.

Die Probleme beim Einsatz von RNMs sind u. a., dass die Räder Schmutzwasser und anderen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Wird die Leistungselektronik ebenfalls in das Rad integriert, muss sie neben den Umwelteinflüssen auch den mechanischen Belastungen, z. B. auf unebener Fahrbahn, standhalten. Aus diesem Grund müssen Radnabenmotoren gekapselt ausgeführt werden, was die Kühlung bestimmter Maschinenkomponenten erschwert. Da sich der RNM im ungefederten Fahrzeugbereich befindet, können bei zu hoher Masse der Räder die Fahreigenschaften erheblich verschlechtert werden.

Da das Verhältnis zwischen Drehmoment und Masse unter Einhaltung der geometrischen Randbedingungen maximiert werden soll, kommt für den RNM ein hochausgenutzter, permanentmagneterregter Synchronmotor mit Außenläufer zum Einsatz (Abb. 1).

Abb.1: Induktionsverteilung des RNM

Der Synchronmotor wird mit einer Zahnspulenwicklung ausgeführt, damit die axiale Länge des Wickelkopfs kurz gehalten wird. Um eine Redundanz zu gewährleisten, wird der Motor sechssträngig ausgeführt, wobei jeweils drei Stränge aus einem von zwei unabhängigen Umrichtern gespeist werden. Im Fehlerfall werden die drei Stränge des fehlerhaften Umrichters kurzgeschlossen, sodass der Motor 3-strängig weiter betrieben werden kann. Hier kommt ein weiterer Vorteil der Zahnspulenwicklung zum Tragen, da die zwei 3-strängigen Systeme im Vergleich zur verteilten Wicklung magnetisch hinreichend entkoppelt sind. Das Bremsmoment der kurzgeschlossenen Wicklung fällt dadurch relativ gering aus.

Für die Motoren und Wechselrichter werden einerseits Wirkungsgradkennfelder zur energetischen Beurteilung des Gesamtsystems ermittelt, andererseits wird ein dynamisches Maschinenmodell aufgebaut und dessen Parameter einschließlich ihrer Fre­quenzabhängigkeit mit Hilfe eines FEM-Modells identifiziert. Zusätzliche analytische Untersuchungen sind zur Vorausberechnung der Magnetgeräusche und zur Erarbeitung von Maßnahmen zu deren Minimierung erforderlich, sowie zur Vorausberechnung und Optimierung weiterer Parasitäreffekte wie Drehmomentpendelungen oder Lagerströmen bzw. Lagerspannungen.

Abb. 2: Schematische Ansicht des Rades mit innenliegendem Radnabenmotor

Nach der aufwendigen Konzept-, Entwurfs- und Optimierungsphase, bei der das Fraunhofer IFAM (Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung) seine Kompetenzen zu Konstruktion, Werkstoffen und Fertigungsverfahren ausspielen konnte, wird der Radnabenmotor (Abb. 2) nun im IFAM hergestellt und geprüft.

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