Elektrische Antriebseinheit mit Doppelrotor-Radialflussmotor und SiC-Wechselrichter

Das grundlegende Prinzip und die Vorteile einer Doppelrotor-Maschine basieren auf dem Ersatz des magnetischen Rückschlusses (Statorjoch) durch einen zweiten Rotor. In einer konventionellen Radialfluss-Elektromaschine müssen sich die magnetischen Flusslinien stets durch das Statorjoch schließen, was einen erheblichen Anteil der Eisenverluste elektrischer Maschinen verursacht. Durch den Ersatz des stationären Rückschlusses durch einen synchron rotierenden Rotor wird die Luftspaltfläche verdoppelt, während die Eisenlänge konstant bleibt. Dadurch entfallen die Eisenverluste im Statorjoch, und es entsteht zusätzlicher Platz für die Magnete.

Der Querschnitt einer solchen jochlosen Doppelrotor-Maschine ist in Bild 1 dargestellt. Ein charakteristisches Merkmal ist der rein radiale Fluss des Magnetfelds im Statorblechpaket. Alle tangentialen Feldkomponenten werden in den synchron rotierenden Rotoren geführt. Die im Stator gezeigte kleine tangentiale Brücke erfüllt ausschließlich mechanische Zwecke, wie Transport, Montage und die Positionierung der Leiter.

Trotz der bekannten Vorteile ist der Aufbau einer Radialfluss-Doppelrotor-Maschine bisher nicht gelungen, da keine geeignete Möglichkeit existierte, das im Stator erzeugte Drehmoment abzustützen. Aufgrund der rotierenden Elemente innerhalb und außerhalb kann das Statorblechpaket nicht wie bei herkömmlichen Konstruktionen in einem stationären Gehäuse befestigt werden (etwa durch Pressen, Schrauben oder Kleben). Das Drehmoment muss daher an einem axialen Ende des Statorblechpakets oder der Statorwicklung abgeführt und abgestützt werden. Aktuell weisen aber weder die Wicklung noch das aus axial geteilten Einzelblechen bestehende Statorblechpaket eine ausreichende Torsionssteifigkeit in Bezug auf die Maschinenachse auf. Alternative Konzepte zur Drehmomentabstützung, beispielsweise durch zusätzliche Stützstrukturen oder die Verwendung von Vergussmaterialien, konnten bisher aufgrund hoher Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit und die Lebensdauer unter wechselnden Drehmomenten, insbesondere in der Automobilindustrie, nicht realisiert werden.

Die DeepDrive-Doppelrotor-Technologie löst dieses Problem, indem die Wicklung eine tragende Funktion zur Drehmomentabstützung übernimmt. Hierfür wird die Wicklung als Wellenwicklung ausgeführt, bei der die Leiterstäbe in einem schraubenförmigen Muster um die Maschinenachse verlaufen und an beiden Enden mittels Laserstrahlschweißen miteinander verbunden sind. Die Leiterstäbe werden in die Schlitze zweier ringförmiger Statorblechpakete eingesetzt, die durch gegenläufige Verdrehung der einzelnen Bleche der Geometrie der Leiter folgen. Der Verdrehwinkel zwischen Anfang und Ende eines Leiterstabs sorgt für die Bildung einer Leiterwindung pro Pol, die mit geeigneter Verschaltung eine verteilte Wellenwicklung mit einer ganzzahligen Anzahl von Nuten pro Pol und Phase bildet.

Die Leiterstäbe werden an einem axialen Ende durch ein formschlüssiges Trägerelement aus Aluminium gehalten. Die Kühlung der Wicklung erfolgt über dieses Trägerelement, das mit einem axial angeordneten Kühlkanal verbunden ist. Der flach und axial ausgeführte Kühlkanal lässt sich aus fertigungstechnischer Sicht leicht in das Lagerschild integrieren und dient gleichzeitig als Kühlkanal für den Wechselrichter, der axial an der Maschine im Gesamtsystem montiert ist.

Die resultierende fachwerkartige Struktur, Bild 2, ermöglicht die Übertragung eines hohen Drehmoments durch die formschlüssige Fixierung im Trägerelement, ohne unzulässig große Verformungen oder Spannungszustände zu verursachen. Dies liegt daran, dass in der fachwerkartigen Struktur die Leiterstäbe bei tangentialer Krafteinwirkung überwiegend Zug- und Druckspannungen aufnehmen müssen. Im Vergleich zu einer Konfiguration mit axial parallel verlaufenden, geraden Leitern können die mechanischen Spannungen dadurch deutlich reduziert werden, wodurch die Drehmomentabstützung innerhalb der Festigkeitsgrenzen von reinem Kupfer über die gesamte Lebensdauer sichergestellt wird. Diese Konstruktion erhöht die für die Drehmomentübertragung entscheidende Torsionssteifigkeit der Wicklung um mehr als den Faktor 40 im Vergleich zu einer klassischen Wicklungsanordnung mit denselben Leiterabmessungen.

Die durch die Wellenwicklung erzeugte verteilte Wicklung wird durch die Konstruktion des Stators gleichzeitig geschrägt und kurzgeschlossen, was ein sinusförmiges Luftspaltfeld erzeugt. Dies ermöglicht den Einsatz von massivem, nicht laminiertem, niedriglegiertem Stahl als Rückschlussmaterial für den Rotor. In Kombination mit oberflächenmontierten Permanentmagneten ist der effektive Luftspalt groß genug, um Effekte der Stator-Nutharmonischen auf den Rotor nahezu vollständig zu vermeiden.

Das Doppelrotor-Radialfluss-Design, Bild 3, bietet mehrere Vorteile, darunter eine erhöhte Drehmomentleistung und Effizienz sowie reduzierte Material- und Fertigungskosten. Diese Eigenschaften führen zu erheblichen Kosteneinsparungen bei Elektrofahrzeugen. So erreicht eine elektrische Maschine mit identischen Außenmaßen und gleicher Magnetmasse eine Drehmomentsteigerung von etwa 30 % im Vergleich zu einer Einzelrotoranordnung (innerer Rotor). Dies lässt sich dadurch erklären, dass der Außenrotor durch den größeren Hebelarm deutlich mehr zur Drehmomenterzeugung beiträgt. Des Weiteren führt der doppelte Luftspalt zu deutlich geringerem Streufluss durch das Nutquerfeld und entlastet dadurch den Eisenkreis durch eine erheblich reduzierte Ankerrückwirkung bei hohen Statorströmen. Hinsichtlich der Effizienz bietet die Eliminierung von Eisenverlusten im Statorjoch deutliche Vorteile im unteren Teillastbereich. In Fahrzyklen wie dem WLTP können so Verlustreduktionen von bis zu 30 % erzielt werden.

Die Wicklungstopologie der Doppelrotor-Maschine erzeugt nur geringe elektromagnetische Tangentialkräfte und keine Anregungen durch ovalisierende oder radiale Schwingungskräfte. Insbesondere das Drehmomentripple ist mit weniger als 0,5 % Amplitude im Verhältnis zum Ausgangsdrehmoment signifikant geringer als bei aktuellen Technologien. Dadurch sind die durch elektromagnetische Kräfte verursachten Geräuschemissionen deutlich geringer.

Der ringförmige Stator muss aufgrund seines jochlosen Designs keinen magnetischen Fluss in tangentialer Richtung leiten. Unterbrechungen in tangentialer Richtung durch kleine Luftspalte führen daher zu keinen Verlusten bei Drehmoment und Effizienz. Dies ermöglicht eine einfache Implementierung segmentierter Statoren und reduziert den Einsatz von Elektroband als Rohmaterial um mehr als 80 % im Vergleich zu einer Maschine nach aktuellem Stand der Technik. Dadurch profitiert die Doppelrotor-Technologie überproportional stark von einer Vergrößerung des Durch-messers, da das Drehmoment quadratisch ansteigt, während die Materialkosten für das ringförmige, segmentierte Statorblechpaket nur linear zunehmen.

Für die massiven Rotoren können kostengünstige Fertigungsverfahren wie Tiefziehen oder etablierte Rohrherstellungstechniken eingesetzt werden. In Kombination mit der technisch einfachen Montage oberflächenmontierter Magnete lassen sich die Kosten für den Rotor erheblich senken.

Die große Kühlfläche der beiden Rotoren führt zu deutlich niedrigeren Magnettemperaturen als bei aktuellen Technologien. Dadurch können in vielen Anwendungen teure und geopolitisch sensible Materialien wie Dysprosium und/oder Terbium vermieden werden.

Bei der Wicklungsproduktion kann auf Prozesse wie das Formen, Biegen und Trennen verzichtet werden, die bei der Herstellung von Hairpinwicklungen erforderlich sind. Auch der komplexe Vorgang der Korbherstellung, um die komplette Wicklung im Statorblechpaket zu montieren, entfällt. Die Verformung einzelner Leiter im Wicklungskonzept der Doppelrotor-Technologie ist sehr gering, und enge Biegeradien sind nicht erforderlich. Dadurch wird die mechanische Belastung des Isolierlacks während der Wicklungsproduktion minimiert.

Der Einsatz von nicht geblechtem Vollmaterial für die Rotoren und oberflächenmontierten Magneten macht die Maschine anfälliger für zusätzliche Verluste durch pulsweitenmodulationsinduzierte (Pulse Width Modulation, PWM) Stromwelligkeit. Die Schaltvorgänge des Wechselrichters führen zu Abweichungen von der gewünschten sinusförmigen Spannungsversorgung, was Schwankungen der Flussdichte in Eisen und Magneten verursacht. Diese Schwankungen induzieren Wirbelströme und führen zu Verlusten, die insbesondere in Fahrzyklen signifikant sind und wesentlich zu den Gesamtverlusten des Antriebsstrangs beitragen.

Im DeepDrive-Konzept wird ein Multilevel-Wechselrichter eingesetzt, der die harmonische Gesamtverzerrung (Total Harmonic Distortion, THD) der Ausgangsspannung im Vergleich zu konventionellen Wechselrichtern erheblich reduziert. Herkömmliche 3-Level-Wechselrichter-Topologien mit Neutralpunktklemmung (Neutral Poin Clamped, NPC) oder aktiver Neutralpunktklemmung (ANPC) sind jedoch komplex und kostspielig. Um dieses Problem zu lösen, wird für das DeepDrive-Konzept ein hybrider 3-Level-T-Wechselrichter verwendet, Bild 4. Die Mittelpunktschalter haben eine deutlich geringere Stromtragfähigkeit und sind nur in Betriebszuständen mit Relevanz für die Reichweite im Teillastbereich aktiv. Bei höheren Lasten arbeitet der Wechselrichter als herkömmliche B6-Brücke im 2-Level-Modus. So können die zusätzlichen Kosten für Chipfläche und Gate-Treiber im Vergleich zu herkömmlichen 3-Level-Topologien erheblich reduziert werden.

Ein weiterer Vorteil dieses Konzepts ist die hervorragende Teillasteffizienz des Wechselrichters. Im 3-Level-Betrieb sind die Schaltverluste aufgrund der halbierten Schaltspannung und der geringen Rückladeströme in den kleineren T- Schenkel-Schaltern sehr niedrig. Dadurch können Spitzenwirkungsgrade von über 99,4 % selbst bei hohen Schaltfrequenzen über 15 kHz erreicht werden.

Der Wechselrichter in den DeepDrive-Antriebseinheiten ist axial hinter der Wicklung positioniert und teilt sich mit dieser den Kühlkanal. Die Kupferleiter der Wicklung werden durch den Kühlkanal geführt und treten in direkten Kontakt mit den Leistungsmodulen des Wechselrichters, Bild 3. Diese hohe Integrationsstufe reduziert den Platzbedarf und ermöglicht erhebliche Kosteneinsparungen durch den Wegfall von Gehäusekomponenten, wodurch die zusätzlichen Kosten der 3-Level-T-Wechselrichtertopologie kompensiert werden.

Auf Grundlage der Kundenanforderungen an den Bauraum sowie des relativ großen Durchmessers der Doppelrotor-Elektromaschine war die Auswahl einer koaxialen Getriebearchitektur für die neue Antriebseinheit zwingend erforderlich. Im Rahmen der Konzeptphase wurden verschiedene eingängige koaxiale Getriebearchitekturen untersucht. Um die optimale Konfiguration für die gegebenen Anforderungen zu ermitteln, wurden zahlreiche Bewertungskriterien im Detail analysiert, Tabelle 1. Dabei wurde deutlich, dass die grundlegendsten Unterschiede zwischen Konzepten bestehen, die auf der Basis von Stirnradgetrieben einerseits und Planetengetrieben andererseits ausgeführt sind.

Während es hinsichtlich der Effizienz keine wesentlichen Unterschiede gibt, weist das Stirnradgetriebe einen klaren Kostenvorteil auf. Sowohl die Anzahl als auch die Komplexität der Bauteile sind im Vergleich zu den planetenbasierten Konzepten geringer. Aufgrund seiner Einfachheit bietet es zudem Vorteile in Bezug auf Entwicklungsaufwand und -risiko. Der offensichtlichste Nachteil liegt im radialen Bauraum, da die Vorgelegewelle zusätzlichen Platz benötigt. Da dies für den Kundenbauraum keine Einschränkung darstellte, wurde dieser Nachteil ebenso akzeptiert wie das geringfügig höhere Gewicht. Bild 5 zeigt einen Schnitt durch die Getriebearchitektur einschließlich der Lageranordnung.

Die Vorgelegewelle und das Differenzial werden durch eine Kombination aus einem festen Kugellager und einem losen Zylinderrollenlager abgestützt. Die Rotorwelle der elektrischen Maschine wird ausschließlich durch zwei Kugellager gestützt, einem Fest- und einem Loslager. Dieses Zwei-Lager-Konzept ist möglich, weil die Maschine sehr kurz ist. Der relativ große Raum innerhalb des Doppelrotors wurde genutzt, um das wälzkörperbasierte Parksperrensystem inklusive eines kleinen Betätigungsmotors zu integrieren.

Da die maximale Drehzahl der elektrischen Maschine bei, im Vergleich zu herkömmlichen Radialflussmaschinen niedrigen, 13.000/min liegt, ist die Gesamtübersetzung ebenfalls geringer als bei den meisten aktuellen elektrischen Antriebseinheiten. Es wurden zwei Übersetzungsvarianten entworfen, mit Gesamtübersetzungen von 8 beziehungsweise 6. Diese niedrigen Gesamtübersetzungen tragen dazu bei, den Nachteil des radialen Bauraums der Vorgelegewellen-Getriebearchitektur zu verringern.

Für die Schmierung der Zahnräder und Lager wird eine kleine Zentrifugalölpumpe mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 30 W verwendet, die Öl aus einem Sumpfbereich in einen Kunststoffbehälter an der Oberseite des Getriebes fördert. Von dort wird das Öl über Kunststoffkanäle und Bohrungen zu den Zahnradpaarungen und Lagern verteilt. Um Planschverluste zu minimieren, sind die beiden großen Zahnräder des Differenzials und der Vorgelegewelle im Sumpfbereich durch spezielle Kunststoffabdeckungen abgeschirmt.

Die Doppelrotor-Elektromaschine benötigt keine Ölkühlung, da der Stator und der Wechselrichter ein effektives Kühlsystem mit einem gemeinsamen wasserbasierten Kühlkanal nutzen, wie zuvor erläutert. Theoretisch könnte der Bereich der elektrischen Maschine daher trocken und ölfrei bleiben. Allerdings wäre es aufgrund der Lagerpositionen, Wellendurchmesser und Montageabfolge schwierig, ein Dichtungskonzept umzusetzen, das das Eindringen von Öl verhindert. Die hierfür erforderlichen Dichtungen wären zudem in Bezug auf Kosten, Reibung und Robustheit nachteilig. Daher wurde entschieden, auf alle Wellendichtungen im System zu verzichten, mit Ausnahme der beiden obligatorischen Antriebswellendichtungen. Kleine Mengen Öl werden somit in den Bereich der Elektromaschine gelangen, insbesondere da der Rotor der Maschine aufgrund seines großen Durchmessers den tiefsten Punkt in der Antriebseinheit darstellt.

Um Öl aus dem Bereich der Elektromaschine zurück in den Getriebebereich zu fördern, wird der Pumpeffekt des äußeren Rotors genutzt. Eine effektive und schnelle Förderung bei minimalen Schleppverlusten wird durch eine sorgfältige Gestaltung der Gehäusegeometrie und zusätzliche Ölleitelemente sichergestellt. Die gesamte Öltransport- und Verteilungsstruktur wurde durch mehrere Schleifen von 3-D-CFD-Simulationen entworfen und optimiert.

Die übliche Umsetzung eines Parksperrensystems erfolgt nach dem „Klinke-und-Rad“-Prinzip mit einem eigenständigen elektromechanischen Aktuator. Trotz ihrer weiten Verbreitung weist diese Art von Parksperrensystem einige funktionale Nachteile auf, insbesondere das unangenehme Rückrollen, bis die Klinke das Zahnrad verriegelt, sowie das sogenannte Rattern, wenn die Klinke bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten betätigt wird und versucht einzurasten. Ein weiterer Nachteil dieser Systeme in elektrischen Antriebseinheiten sind die Stöße und Lagerbelastungen, die durch das hohe Trägheitsmoment des Rotors der Elektromaschine verursacht werden.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurde von FEV ein Parksperrensystem entwickelt, das mehrere Wälzkörper als Verriegelungselemente verwendet, Bild 6 und Bild 7. Da das System in jeder beliebigen Winkelposition sofort verriegelt, wird ein Rückrollen fast vollständig vermieden. Dadurch verringert sich auch die maximale kinetische Energie im System beim Verriegeln, was die Stoßbelastungen durch die Rotorträgheit reduziert. Die Zentrifugalkraft auf die Rollen verhindert bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten Verriegelungsversuche, womit das Rattern ausgeschlossen ist. In konventionellen Systemen verursachen die tangentialen Kräfte des Klinkenkontakts erhebliche, oft kritische, Lagerbelastungen. Im vorliegenden System entstehen zwischen der verriegelten Welle und dem Gehäuse nur Torsionsbelastungen.

Ein besonders großer Vorteil in Kombination mit der DeepDrive-Doppelrotor-Elektromaschine ist die Möglichkeit, das Parksperrensystem im vorhandenen Raum innerhalb des inneren Rotors der E-Maschine zu integrieren, Bild 5. Der Aktuatormotor mit geringerem Leistungs- und Drehmomentbedarf befindet sich ebenfalls innerhalb des Rotors und ist direkt mit der Platine des Wechselrichters verbunden, ohne dass externe Verkabelungen erforderlich sind. Das stellt eine weitere Vereinfachung im Vergleich zu herkömmlichen Antriebseinheiten dar.

Die von DeepDrive entwickelten Doppelrotor-Radialflussmotoren steigern die Effizienz elektrischer Antriebe und reduzieren gleichzeitig Material- und Fertigungskosten erheblich. Besonders hervorzuheben sind der sehr geringe Bedarf an Elektroband und die deutlich reduzierte Magnetmasse. In Kombination mit einem kostengünstig integrierten Wechselrichter entstehen preisattraktive, hocheffiziente Antriebseinheiten, die den Energiebedarf und die Kosten von Elektrofahrzeugen signifikant senken.

In Zusammenarbeit mit FEV wurde eine Antriebseinheit auf Basis dieser Technologie entwickelt. Entsprechend den zentralen Merkmalen der Motor- und Wechselrichtertechnologie standen niedrige Kosten und hohe Effizienz im Vordergrund.