Elektromotor Auto

Elektromotor Auto – Wenn es um die Langlebigkeit von Elektroautos geht, lag der Fokus bisher auf Batterieschäden und Batterielebensdauer. Aber auch andere Teile der Antriebstechnik sollen möglichst lange halten. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wollte der Fachbereich Fahrzeugtechnik der Hochschule Esslingen wissen, wie zuverlässig das Herzstück von Elektromotoren ist.

„Heutzutage werden zunehmend Elektroantriebe in Fahrzeugen verbaut. Das bedeutet, dass wir Methoden zur Lebensdauervorhersage von Komponenten weiterentwickeln müssen“, sagt Peter Hefel, Leiter der Abteilung Komponentenzuverlässigkeit an der Fakultät für Fahrzeugtechnik. Um eine ausreichende Lebensdauer für neue Generatoren zu gewährleisten, muss die Lebensdauer von Elektromotoren nachgewiesen werden Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Vorhersagegenauigkeit für die Lebensdauer eines elektrischen Antriebsmotors zu verbessern.

Elektromotor Auto

Das Herzstück eines Elektromotors – der Rotor – besteht aus mehreren Schichten dünnen Elektroblechs. Elektroband ist ein weichmagnetisches Stahlmaterial mit einzigartigen magnetischen und mechanischen Eigenschaften. „Um die Lebensdauer eines Rotors im Verbrauchereinsatz genau vorhersagen zu können, müssen die Materialeigenschaften von 0,1 mm bis 0,3 mm dicken Stahllamellen bei verbraucherähnlichen Belastungen bestimmt werden“, erläutert Hefel das Verfahren. .

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„Bei der neuen Testmethode, die wir entwickeln, müssen wir die vielen Einflussfaktoren berücksichtigen, denen der Rotor über die Lebensdauer des Fahrzeugs ausgesetzt ist“, so der Projektleiter weiter. Dazu gehören unterschiedliche Schneidverfahren bei der Herstellung von Stahllamellen, Drehzahländerungen von Teil- auf Volllast, Alterungseinflüsse und Temperaturschwankungen im Betrieb.

Die Hochschule Esslingen hat ihr Forschungsprojekt zur Lebensdauer von Elektromotoren auf drei Jahre angelegt. Das Projekt wird von mehreren Unternehmen der Automobilindustrie unterstützt, darunter die Hersteller BMW, Mercedes-Benz und Volkswagen sowie die Zulieferer ZF, Mahle, Schaeffler, Bosch und Magna. Funktionsweise von Elektromotoren in der Erfindung im Detail.

Bitte lehnen Sie sich zurück. Wenn Sie das Gaspedal eines Porsche TaycanTurboS voll durchtreten, erleben Sie 12.000 Gründe, eine stabile Sitzposition zu wählen. Fahrer und Beifahrer sind gerüstet, wenn das Topmodell des Elektro-Sportwagens gleichzeitig ein kollektives Drehmoment von 12.000 Nm an allen vier Rädern freisetzt (Tycon Turbo S: Stromverbrauch* kombiniert (WLTP) 23,4 – 21,9 kWh/100 km, CO₂-Emissionen* kombiniert (WLTP) 0 g /km, elektrische Reichweite* kombiniert (WLTP) 440 – 468 km, elektrische Reichweite* Stadt (WLTP) 524 – 573 km). Die geballte Kraft wird verzögerungsfrei voll freigesetzt und der Schub der beiden Elektromotoren an Vorder- und Hinterachse ist bis zur Höchstgeschwindigkeit nahezu konstant.

Diese Dosis Adrenalin ist der Wirkstoff der einzigartigen Antriebstechnologie von Porsche. Nicht umsonst kürte das renommierte Center for Automotive Management (CAM) den Taycan zum weltweit innovativsten Modell 2020. Bei Porsche treibt Innovation die Technologie immer auf die Spitze. In diesem Fall das Potenzial eines Elektroantriebs zu nutzen, was noch niemand zuvor getan hat.

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Auf dieses Konzept ist Porsche nicht gestern oder gar vorgestern gekommen. Tatsächlich war es vor 120 Jahren. Dem jungen Ferdinand Porsche gelang damals eine Weltneuheit, als er Elektrofahrzeuge mit gelenkten Radnabenmotoren entwickelte. Die Möglichkeiten der Elektromobilität beflügelten seine sportlichen Ambitionen und sein Rennwagen wurde zum weltweit ersten allradgetriebenen Personenwagen.

Kraftpaket: Elektromotor und Zweiganggetriebe (vorne) parallel zur Hinterachse montiert. An der Spitze steht die Leistungselektronik.

Die einfachen Gleichstrommotoren der Vergangenheit sind längst durch ausgefeiltere Maschinen ersetzt worden. Das physikalische Grundprinzip bleibt jedoch gleich: Magnetismus. Ein Magnet hat immer einen Nord- und einen Südpol. Anders als Stangen ziehen sich an; Wie Pole abstoßen. Einerseits gibt es Permanentmagnete, die auf die Wechselwirkung von Elementarteilchen angewiesen sind. Andererseits werden bei jeder Bewegung elektrischer Ladung auch Magnetfelder erzeugt. In einem Elektromotor ist der stromführende Leiter so angeordnet, dass er eine Spule bildet, um die Induktion des Elektromagnetismus zu verstärken. An beiden Teilen sind Elektromagnete und – je nach Motorausführung – Permanentmagnete angebracht. Der stationäre Teil wird als Stator bezeichnet, der rotierende Teil als Rotor, der die elektrische Spannung periodisch ein- und ausschaltet und Anziehungs- und Abstoßungskräfte erzeugt.

Nicht jede Art von Elektromotor ist zum Fahren geeignet. Porsche verwendet eine permanent erregte Synchronmaschine (PSM). Im Vergleich zur überwiegend verwendeten Bauart – der Billig-Asynchronmaschine (ASM) – liefert die PSM eine höhere Dauerleistung, da sie sich weniger stark erhitzt und somit nicht abgeschaltet werden muss. Die PSM von Porsche werden von einer Leistungselektronik mit einer dreiphasigen Wechselspannung versorgt und gesteuert: Die Motordrehzahl wird durch die Frequenz bestimmt, mit der die Wechselspannung vom Tominus um den Nullpunkt schwingt. Bei Takeon-Motoren stellt der Pulswechselrichter die Frequenz des Drehfelds im Stator ein und steuert so die Rotordrehzahl.

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Kern: Der Stator eines E-Motors besteht im Wesentlichen aus kreisrunden Blechscheiben und in einem Rohr geschichteten Kupferspulen. U-förmig gebogene Drähte werden in den Spalt im Rohr eingeführt und miteinander verbunden.

Der Rotor besteht aus hochwertigen Permanentmagneten mit Neodym-Eisen-Bor-Legierungen, die während des Herstellungsprozesses durch ein starkes gerichtetes Magnetfeld permanent magnetisiert werden. Permanentmagnete ermöglichen zudem eine hohe Energierückgewinnung durch Rückspeisung beim Bremsen. Im Schubbetrieb geht der Elektromotor in den regenerativen Betrieb, während die Magnete Spannung und Strom in die Statorwicklung induzieren. Die Rekuperationsleistung des Porsche E-Motors gehört zu den besten im Wettbewerb.

Technik an ihre Grenzen getrieben: Dieses Porsche-Gen spiegelt sich in einem einzigartigen Merkmal der Tycon-Motoren wider, der sogenannten Hairpin-Wicklung. Dabei bestehen die Wicklungen des Stators aus Rund- und Rechteckdrähten. Und im Gegensatz zu klassischen Wickelverfahren, bei denen Kupferdraht von einer Endlosrolle abgezogen wird, ist die Hairpin-Technologie als systembasiertes Montageverfahren bekannt. Das bedeutet, dass der rechteckige Kupferdraht in einzelne Abschnitte geteilt und wie eine Haarnadel in eine U-Form gebogen wird. Diese einzelnen „Haarnadeln“ werden in die Statorbleche eingesetzt, in denen die Wicklungen so angeordnet sind, dass sich die rechteckigen Querschnittsflächen überlappen.

Kompakt: Der Vorderachsantrieb des Taykon ist platzsparender ausgelegt als ein Heckantrieb. Motor und Getriebe sind koaxial montiert; Die Rotor-, Getriebe- und Achswellen sind in einer Linie.

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Dies ist ein entscheidender Vorteil der Hairpin-Technologie: Sie ermöglicht eine dichtere Packung der Drähte, wodurch dem Stator mehr Kupfer zugeführt wird. Während herkömmliche Wickelverfahren einen Kupfer-Füllfaktor von bekanntlich rund 50 Prozent aufweisen, hat die von Porsche eingesetzte Technologie einen Füllfaktor von rund 70 Prozent. Es steigert Leistung und Drehmoment bei gleichem Bauraum. Die Enden der Drahthaarnadeln werden mit einem Laser verschweißt, wodurch eine Spule entsteht. Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, dass der gleichmäßige Kontakt zwischen benachbarten Kupferdrähten die Wärmeübertragung verbessert und den Hairpin-Stator effizienter kühlt. Elektromotoren wandeln mehr als 90 Prozent der Energie in Vortrieb um. Doch wie bei einem Verbrennungsmotor wird der Verlust in Wärme umgewandelt und muss abgeführt werden. Deshalb haben Motoren einen Kühlwassermantel.

Um einen permanenterregten Synchronmotor exakt zu regeln, muss die Leistungselektronik die genaue Winkelstellung des Rotors kennen. Dafür gibt es einen Fixer. Es besteht aus einer Rotorscheibe aus feldleitendem Metall, einer Erregerspule und zwei Empfangsspulen. Die Erregerspule erzeugt ein Magnetfeld, das durch den Encoder zu den Empfangswicklungen übertragen wird. Dadurch wird in den Empfangsspulen eine Spannung induziert, deren Phasenlage sich entsprechend der Rotorlage verändert. Aus diesen Informationen kann die Steuerung die exakte Winkelstellung des Rotors berechnen. Dieses Steuerungssystem mit der Bezeichnung „Pulse Inverter“ ist der Gipfel des Porsche-Know-hows. Sie wandelt den Batteriegleichstrom in Wechselstrom mit 800 Volt um und versorgt damit die beiden E-Motoren.

Porsche war der erste Hersteller, der eine Spannungsebene von 800 Volt einführte. Ursprünglich für den Hybrid-Rennwagen Porsche 919 entwickelt, reduziert diese Spannung nun in der Serienfertigung Gewicht und Bauraum durch schlankere Kabel und ermöglicht kürzere Ladezeiten. Elektromotoren können 16.000 Umdrehungen pro Minute erreichen. Um diesen Drehzahlbereich für die Porsche-typische Spreizung zwischen Dynamik, Effizienz und Höchstgeschwindigkeit optimal zu nutzen, verfügen Front- und Heckantrieb über eigene Getriebe. Als erster Elektro-Sportwagen verfügt der Taycan über ein Getriebe mit zwei schaltbaren Gängen an der Hinterachse, von denen der erste eine geringere Untersetzung aufweist. An der Vorderachse überträgt ein Eingangsplanetengetriebe die Kraft auf die Räder.

Diese geben dem Tecon Turbos seine kraftvolle Kraft. An der Vorderachse übersetzt die Getriebeübersetzung die 440 Nm des Elektromotors auf 3.000 Nm an den Rädern. Etwa 610 Nm des Hinterachsmotors multiplizieren sich im ersten Gang zu rund 9.000 Nm Achsdrehmoment. Die Funktion des hoch übersetzten zweiten Gangs ist es, Effizienz und Leistungsreserven bei hohen Geschwindigkeiten zu gewährleisten. Dies ist eine bahnbrechende Technik, die auf kleine Details angewendet wird –

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