Nachhaltige E-Achsen-Lösungen mit gesteigerter Leistungsdichte

In Elektromotoren für Automotive-Anwendungen kommen große Mengen teurer Materialien zum Einsatz, zum Beispiel Dynamoblech, Magnete und Kupfer. Eine Verkleinerung des Motors senkt die Materialkosten, führt jedoch aufgrund der folgenden physikalischen Gesetze auch zu einer Verringerung des Drehmoments, Gl. 1 und Gl. 2:

Gl. 1 \({P}_{mech}=\mathrm{\omega }\times M\)

Dabei entspricht: P_mech = Mechanische Leistung; ω = Winkelgeschwindigkeit; M = Drehmoment, wobei gilt:

Gl. 2 \(M\sim {d}^{2}\times 1\)

Dabei entspricht: d = Durchmesser; l = Blechpaketlänge.

Um den Leistungsbedarf zu decken, muss bei einer Verringerung der Motorabmessungen die Drehzahl erhöht werden. Eine Erhöhung der Motordrehzahl um den Faktor 2 führt zu einer Reduzierung des benötigten aktiven Motormaterials um den Faktor 2. Sofern keine nennenswerten teuren oder technologischen Sonderlösungen bei Motor und Getriebe erforderlich sind, ergibt sich ein erhebliches Kosteneinsparungspotenzial. Gewicht und Größe des Motors können entsprechend reduziert werden, was sich zusätzlich positiv auf die Fahrzeugeigenschaften und damit wiederum auch auf die Kosten auswirkt.

Diese Beziehungen zwischen Drehzahl auf der einen sowie Gewicht, Volumen und Kosten auf der anderen Seite sind in Bild 1 dargestellt. Ziel ist es, den optimalen Drehzahlbereich zu finden, bei dem sowohl das Gewicht als auch die Kosten niedrig sind, was bei 30.000/min der Fall ist [1].

Maßstab für die Auswahl der Technologien und des Layouts war die Reduzierung des Materialeinsatzes in den Motoren, ohne dass sich dadurch der Wirkungsgrad verschlechtert. Wechselrichter, Steuerungssoftware und Getriebe mussten mit der geforderten Leistungsdichte in Einklang stehen. Auch die Skalierbarkeit und die Fähigkeit, hohe Stückzahlen in der Produktion erreichen zu können, gehörten zu den Anforderungen. Die folgenden Konzeptentscheidungen wurden für die verwendeten Komponenten getroffen:

Die Entwicklung eines Elektromotors für die geforderten 30.000/min ohne den Einsatz teurer Technologien wie Kobaltblechlamellen ist mit einigen Herausforderungen verbunden. Um den hohen Fliehkräften aufgrund der hohen Drehzahlen gerecht zu werden, müssen neben der Umfangsgeschwindigkeit auch Materialparameter und geometrische Gestaltung berücksichtigt werden. Durch die Analyse von Spannung und elastischer Verformung verschiedener Varianten mit präzisen Simulationswerkzeugen und Finite-Elemente- Analysen wurde schließlich eine mechanisch robuste Lösung gefunden.

Ebenfalls relevant bei Hochdrehzahlmotoren sind Hochfrequenzverluste in den Kupferwicklungen, vorrangig der Skin-Effekt und der Proximity-Effekt, also das Phänomen, dass der Strom im Draht durch Streuflüsse verdrängt wird, was den resultierenden Widerstand erhöht. Bei einer Grundfrequenz von 1500 Hz müssen diese Effekte bei der Systemauslegung berücksichtigt werden. Bild 2 zeigt den Anstieg der Kupferverluste mit der Drehzahl, wobei die gewählte Sechslagen-Hairpinwicklung in jedem Betriebspunkt einen geringeren Widerstand aufweist als eine vergleichbare Runddrahtwicklung.

Darüber hinaus nehmen auch die Eisenverluste mit der Frequenz zu, wie aus den Formeln für Hystereseverluste und Wirbelstromverluste hervorgeht. Die Grundfrequenz f_fund. berechnet sich aus der Drehzahl dividiert durch 60 multipliziert mit der Anzahl der Polpaare. Die Frequenz für den hier besprochenen Hochdrehzahlmotor ist mit 1500 Hz moderat. Die Stromregelung im Wechselrichter sorgt durch Funktionen wie die synchrone Modulation oder andere verbesserte Modulationen für eine niedrige Oberschwingungsverzerrung.

Was die Materialauswahl betrifft, so reduzieren Bleche mit geringer Dicke, hochfrequenzoptimierte Dynamobleche mit einer Güte von NO20 (gemäß DIN EN 10303) und die Segmentierung der Magnete (N40UH) die Verluste im Motor. Mit Blick auf die Kosten sind die eingesetzten Materialien recht häufig und zu wettbewerbsfähigen Kosten erhältlich.

Es wurde eine sechslagige Hairpinwicklung mit gebogenem Kupfer auf der einen Seite und Kupferumformung und -schweißen auf der anderen Seite gewählt. Es konnte ein Kupferfüllfaktor von 60 % erreicht werden, der sogar die Ölkanäle zur Kühlung miteinschließt. Es wird ein Slot-Liner mit nur 0,1 mm Dicke verwendet. Der Schlitz ist für den Kühlmittelfluss in Kombination mit dem Kupferfüllfaktor optimiert. Es besteht kein Bedarf für Harz in der Nut, da zusätzliche Mikro-Ölkanäle entlang des Kupfers den Kühlmittelfluss verbessern. Das Recycling des Kupfers wird dadurch erleichtert, dass die Wicklung in einem Stück ohne Schreddern entfernt werden kann.

Die Prototypen, Bild 3, wurden im Selective-Laser-Melting(SLM)-Verfahren hergestellt, einem 3-D-Kupferdruckverfahren. Dies hat weitere Vorteile. Es ermöglicht kleinere Wickelköpfe und geringere Werkzeugkosten, außerdem kann ein geringerer Widerstand im Vergleich zum Schweißen erreicht werden.

Der in diesem Beispiel gezeigte Kupferdruck ist noch nicht der letzte Stand der Entwicklung, weitere Optimierungen können realisiert werden, zum Beispiel die freie Formgebung von besonders kurzen Wickelköpfen. Das Verfahren ist für die Kleinserienfertigung geeignet, für Großserien wird das Schweißen eingesetzt. Das aktuelle Design von AVL ermöglicht beide Fertigungsverfahren [2].

Für den E-Motor wird eine hochentwickelte direkte Ölkühlung verwendet. Um nur eine Kühlflüssigkeit im gesamten Motor-Wechselrichter-System zu verwenden, können als Ausstattungsmerkmal auch die Wechselrichter mit Öl gekühlt werden.

Direkte Ölkühlung bedeutet, dass das Kühlmittel in den Nuten und Wickelköpfen mit der Kupferwicklung in Kontakt kommt, Bild 4. Der Stator ist vollständig mit Öl gefüllt, das entlang der Statorschlitze gepumpt wird. Auf diese Weise wird die durch Kupferverluste verursachte Wärme sehr effizient abgeführt. Ein Luftspaltrohr hält das Öl vom Rotorraum fern, sodass in diesem Bereich keine Reibungs- oder Pansch- beziehungsweise Planschverluste durch Öl entstehen.

Das Getriebe wird wegen der Verschmutzung durch Metallabrieb nicht direkt mit der gleichen Flüssigkeit gekühlt, sondern verfügt über einen separaten Schmierkreislauf mit eigener Ölpumpe. Die Kühlung der Getriebeflüssigkeit erfolgt durch Sprühen von Schmieröl gegen das gekühlte Gehäuse in Richtung E-Motor [2].

Die Simulationsergebnisse des beschriebenen Permanentmagnetmotors zeigen die in Bild 5 dargestellten Drehmomentcharakteristiken, etwa ein Spitzendrehmoment von 219 Nm zwischen 0 und 11.000/min. Die Spitzenleistung beträgt 250 kW im Bereich über 11.000/min, die Dauerleistung jedes Elektromotors 100 kW. Der Wirkungsgrad liegt in einem sehr großen Bereich bei 97 %. Dank der Güte des Elektrobands von NO20, segmentierten Magneten und einem hohen Kupferfüllfaktor sind die Verluste bei hohen Drehzahlen gut ausgeglichen.

Das Diagramm wurde für eine Kupfertemperatur von 180 °C erstellt. In der Realität bleibt diese jedoch dank der direkten Ölkühlung typischerweise im Bereich von 90 °C, was zu einer immer besseren Effizienz führt. Die Geometrie jeder Motortopologie wurde durch die Anwendung von DoE (Design of Experiment), Rekurrenten Neuronalen Netzen (RNN) und genetischen Algorithmen optimiert. Mit diesem umfassenden Ansatz lässt sich jeder Parameter im Design des Elektromotors optimieren.

Die Magnete haben den größten Einfluss auf die Kosten des Elektromotors. Daher wurde eine spezifische Optimierung des Magnetmaterialgewichts durchgeführt, um die Kosten durch die größtmögliche Reduzierung der Materialmenge zu minimieren. Durch die Entwicklung einer optimierten Materialgewichtsverteilung war AVL in der Lage, eine kosteneffiziente E-Motorlösung zu liefern und gleichzeitig die höchste Effizienz und Leistung beizubehalten.

Beim Design fiel die Wahl auf ein zweistufiges Stirnradgetriebe. Der Wirkungsgrad in Kombination mit dem Ziel, den E-Motor zu verkleinern, war das Hauptentscheidungskriterium. Für die zweite Generation der E-Achse wurde die Getriebeanordnung geändert. Bei dem neuen System treibt ein Motor auf der einen Seite das Rad auf der anderen Seite des Fahrzeugs/der Achse an, Bild 6. Dies führt zu einer Verringerung der Gesamtlänge des Systems um circa 8 %.

Schmierung und Kühlung sind Schlüsselparameter für Hochdrehzahlgetriebe. Mit zunehmender Teilkreisgeschwindigkeit sind diese Anforderungen für einen ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb des Getriebes besonders penibel zu beachten. Daher muss für die Kühlung und Schmierung von Zahnrädern und Lagern in Hochdrehzahlanwendungen eine Druck- oder Zwangsschmierung eingesetzt werden. Der Vorteil der Druckschmierung liegt in der besseren Kontrolle über den Öldurchfluss zu den einzelnen Komponenten sowie in der höheren Effizienz aufgrund des Trockensumpfs, der die Schleppverluste der rotierenden Komponenten reduziert [1].

Die Position der Schmierstoffdüsen ist ein entscheidender Faktor, der die Getriebeschmierung und -kühlung beeinflusst. Die Düsen können so platziert werden, dass das Sprühöl in den Zahneingriff oder außerhalb des Zahneingriffs oder sogar auf beides gerichtet wird. Die Positionierung und der verfügbare Platz zur Positionierung der Sprühdüsen können die Auswahl einschränken. Auch die Durchflussmenge und der erforderliche Druck müssen berücksichtigt werden. Bei Hochdrehzahlgetrieben können ein hoher Durchfluss und Druck erforderlich sein, um sicherzustellen, dass das Öl die Zahnoberfläche erreicht und nicht durch die Bewegung der beschleunigten Luft abgelenkt wird, die durch die Drehung des Getriebes entsteht.

Bild 7 zeigt die Sprühdüse für die erste Stufe (Antriebsrad). Der Winkel der Düse ist auf 20˚ eingestellt, um eine optimale Ölbedeckung auf dem Zahn des angetriebenen Zahnrads zu gewährleisten. Die Position der Sprühdüse stellt sicher, dass die Drehung des schrägverzahnten Zahnrads das Öl über die Zahnfläche des Zahnrads drückt [1].

Der Lagerkäfig ist bei hohen Drehzahlen eines der Hauptprobleme. Wenn die Konstruktion und das Material des Käfigs nicht für hohe Drehzahlen ausgelegt sind, kann er sich ausdehnen, den Außenring des Lagers berühren und schließlich beschädigt werden. Andererseits erzeugen die Beschleunigungen und Verzögerungen hohe Spannungen in den Lagern, insbesondere im Käfig. Eine weitere Herausforderung bei Hochdrehzahlanwendungen sind Leckagen aus abgedichteten Lagern, da bei diesen das Fett und die Lagerlaufbahnen zerstört werden können. Betriebstemperaturen von bis zu 180 °C erfordern besondere Aufmerksamkeit bei den eingesetzten Werkstoffen.

Für diese Anwendung hat der Lagerlieferant SKF ein abgedichtetes Lager mit einem Geschwindigkeitsfaktor von 1,6 Millionen n × d_m entwickelt. Der Käfig wurde mithilfe der AVL-eigenen Methodik und Werkzeugkette neugestaltet, um die Belastung und den Leistungsverlust zu verringern. Um den hohen Fliehkräften standhalten zu können, wird ein Polymermaterial verwendet. Besonderes Augenmerk galt der Art des in den abgedichteten Lagern verwendeten Schmierfetts, um Überhitzung zu vermeiden und die Verluste auf einem Minimum zu halten.

SKF hat umfangreiche Tests durchgeführt, um die Konstruktion zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche Verbesserung der Lagerverluste und der Drehzahlkapazität. Darüber hinaus wurden zusätzliche Tests durchgeführt, um die Fehlausrichtung der Lager, die Temperaturbeständigkeit und die Auswirkungen hoher Temperaturen auf den Schmierstoff zu prüfen. In der aktuellen Konstruktion der Antriebseinheit werden sechs Hochdrehzahllager verwendet, von denen zwei mit Fett und vier mit Öl geschmiert sind [1].

Der integrierte Doppelwechselrichter hat einen gemeinsamen Zwischenkreiskondensator, Bild 8. Es werden SiC-Module mit hohem Wirkungsgrad und eine variable Schaltfrequenz von bis zu 20 kHz verwendet. Der Doppelwechselrichter nutzt eine verschachtelte Schaltstrategie, die es ermöglicht, die Größe des Zwischenkreiskondensators und die Spannungswelligkeit zu verringern, Bild 9. Dies führt zu einer Erhöhung der Leistungsdichte.

Ein spezielles Kühlerdesign reduziert die störende Kopplung zur Masse. Dies verbessert das Gleichtaktrauschen und reduziert die Lagerströme. Um den Wirkungsgrad des Antriebssystems zu verbessern, wird SiC-Halbleitertechnologie eingesetzt.

Insbesondere bei den erforderlichen höheren Schaltfrequenzen (hohe Grundfrequenz, geringere Zwischenkreiskapazität) ermöglichen SiC-Module ein kompaktes Wechselrichtergehäuse und eine hervorragende Kühlung der Leistungsbauelemente. Das Design basiert auf einer kühlenden Grundplatte, auf der Leistungsmodule und Zwischenkreiskondensator symmetrisch montiert sind. Das Bauteil kann sehr flach realisiert werden und ist auf die Nutzung der gegebenen Länge der Antriebseinheit optimiert. Die AC-Stromschienen zu den Motoren bleiben klein und leicht, und die DC-Stromschiene ist als integraler Bestandteil des Kondensators realisiert [3].

Neben den bereits diskutierten Technologie- und Kostenzielen muss ein zukunftsfähiges Konzept auch einem nachhaltigen Design zur Reduzierung des CO₂e-Fußabdrucks entsprechen, was wiederum die Effizienz im Lebenszyklus erhöhen soll. „Design-to-CO₂e“ als ganzheitlicher Ansatz im Rahmen des Systems Engineering bedeutet einen Übergang vom ursprünglichen Fokus auf Design-to-Function und Design-to-Cost zur zusätzlichen Dimension des CO₂-Äquivalents über den Lebenszyklus [4]. Dieser umfasst die Produktion, die Nutzung und das Ende der Nutzungsdauer, einschließlich Recycling oder Wieder-/Weiterverwendung.

Um die Antriebseinheit von AVL mit anderen Lösungen zu vergleichen, wurden drei Systeme mit je 160 kW Spitzenleistung bewertet: ein PSM-Basissystem, das Hochdrehzahl-PSM-System und ein Extern Erregter Synchronmotor (EESM). Für den Vergleich des kompletten Antriebssystems wurden Gewicht, Kosten und CO₂e der aktiven Motorteile, des Wechselrichters und des Getriebes sowie zusätzliche Komponenten wie Rotorwelle, Lager und Motorgehäuse in die Bewertung einbezogen.

Die Rotorerregung für das EESM- System berücksichtigt die Verkabelung, die Sensoren und die Rotorschnittstelle als Teil des Wechselrichters. Kollektorring und Kupferschienen/-drähte zu den Rotorwicklungen sind bereits in den aktiven Teilen des Elektromotors berücksichtigt.

Durch den Einsatz des schnelllaufenden Elektromotors können 17 kg Gewicht und 8 % Kosten eingespart werden. Der EESM weist ein Potenzial zur Kosteneinsparung von 5 % auf, allerdings mit einem Nachteil von bis zu 13 kg in Bezug auf das Systemgewicht, Bild 10.

Die Bewertung der Nachhaltigkeit von elektrischen Antriebseinheiten durch den Vergleich der berechneten CO₂e-Emissionen ergab einen Vorteil von 10 % für das Hochdrehzahl-PSM-System. Das EESM-System zeigt einen potenziellen Anstieg der CO₂e-Emissionen um bis zu 6 % [5].

Die elektrische Hochdrehzahl-Antriebseinheit der zweiten Generation von AVL setzt neue Benchmarks bei Wirkungsgrad und Leistung - bei verbesserter Nachhaltigkeit aufgrund der hohen Leistungsdichte von 4,3 kW/kg und einem verbesserten Kupferrecycling. Die beschriebene Technologie wird kontinuierlich getestet, zum Beispiel in zwei Demofahrzeugen, die seit 2020 erfolgreich betrieben werden. Weiterhin konnte die Torque-Vectoring-Funktion von AVL verbessert und im Fahrzeug demonstriert werden.

Die Planung für die dritte Generation der E-Achse beinhaltet eine weitere Verbesserung der Leistungsdichte des Wechselrichters um 50 %, ein Derivat mit einem Motor für Kompaktfahrzeuge mit nur 25 kg Gewicht bei 120 kW Leistung und 3400 Nm Drehmoment sowie eine intensive Nutzung KI-basierter Maschinensteuerung, etwa zur Bestimmung der Rotortemperatur.

Das vorgestellte Hochdrehzahlkonzept bietet erhebliche Vorteile in Bezug auf den CO₂e-Fußabdruck des Produkts sowie die Reduzierung der Menge an kritischen oder hochwertigen Materialien und trägt zusätzlich zur Senkung der Produktkosten bei.