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Elektrischer Radnabenantrieb ohne Permanentmagnete

Der elektrische Radnabenmotor wurde bereits vor rund 120 Jahren von Ferdinand Porsche erfunden. Wie kann diese Antriebstopologie für heutige Hybrid- und Elektroautos einsetzbar gemacht werden? Andreas Lohner, Professor für Automatisierungstechnik und Elektrische Antriebe, setzt sich in dem folgenden Beitrag mit dieser spannenden Frage auseinander.

Dieser Beitrag ist zuerst in eMobilJournal 01/2019 erschienen.

1. Einleitung und Motivation

Energieeffizienz und aktive Sicherheit bei Fahrdynamikregelungen werden mehr und mehr zu einem zentralen Thema für die Auto­mobilindustrie. Neben den Kunden, die ver­brauchsarme, kosten- und umweltschonende Fahrzeuge verlangen, zwingen auch staatli­che Reglementierungen und Vorgaben zur Verringerung des CO2-Ausstoßes die Automo­bilindustrie, immer neu über alternative Fahr­zeug- und Antriebskonzepte nachzudenken und zusätzlich die Sicherheit im Straßenver­kehr kontinuierlich zu steigern.

In Kombination mit dem Ausbau erneuer­barer Energien bieten Elektroautos eine gute Perspektive, den CO2-Ausstoß im Straßenver­kehr signifikant zu verringern. Käuflich erwerb­bare Elektrostraßenfahrzeuge sind bislang allerdings meist mit einem konventionellen Antriebsstrang ausgerüstet, das heißt, dass ein Elektromotor über ein Getriebe mit nach­folgendem Differential eine Achse antreibt. Diese Antriebstopologie bietet dem Fahrer, gegenüber der Konkurrenz mit Verbrennungs­motor, keinen fahrdynamischen Mehrwert, der den (heutigen) Kostennachteil des Elektro­fahrzeugs relativieren könnte. Weiterhin führt der vermehrte Einsatz von permanent erreg­ten Elektromaschinen durch den Einsatz Selte­ner Erden zu neuen ökologischen Problemen bei deren Gewinnung und zu wirtschaftlicher Abhängigkeit von China, als Hauptlieferant von Magnetmaterialien.

Als Alternative zu der konventionellen An­triebstopologie bietet der bereits Ende des 19. Jahrhunderts von Ferdinand Porsche erfundene Radnabenmotor [1] (siehe Bild 1) alle Vorteile des verteilten Antriebes. Nach ihrem Einsatz in den Fahrzeugen der Firma Jacob Lohner & Co. (siehe Bild 2) wird der Radnabenmotor heute – hun­dert Jahre später – nur (noch) in Forschungspro­jekten und zumeist als permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine ausgeführt [2]–[5]. Die permanentmagnetische Erregung birgt al­lerdings die Gefahr der Unkontrollierbarkeit des Fahrzeuges, insbesondere beim Fehlerfall des Wicklungsschlusses. Sie ist damit bei einem Radnabenmotor als sehr problematisch einzu­stufen. Weiterhin behindert die große, unge­federte Masse der Maschine nach wie vor ihren Einsatz im privaten Pkw. Das hier vorgestellte und von der Landesregierung Nordrhein-Westfalen im EFRE-Programm (Europäischer Fond für re­gionale Entwicklung) „Mobilität und Logistik“ geförderte Forschungsprojekt der Technischen Hochschule Köln und der Alten Group strebt auf der Basis der Geschalteten Reluktanzma­schine (SRM) an, diese Probleme zu lösen, da ihr Rotor weder Wicklungen noch Permanentmag­nete trägt [6]. Allerdings ist ihr NVH-Verhalten (Noise Vibration Harshness) sehr problematisch, was bislang ihre Nutzung als Maschinenart im Automobilsektor behindert hat.

Der Einzelradantrieb (zwei oder vier Ma­schinen in einem Fahrzeug) bietet mit dem hier entwickelten Radnabenmotor aber einen deutlichen Mehrwert hinsichtlich Fahrdynamik und Sicherheit sowie Fahrzeugdesign durch die Vorteile eines „verteilten“ Antriebs wie „Torque Vectoring“, variable Bauraumwahl usw. In dem beschriebenen Forschungspro­jekt wird demonstrativ ein Ford Focus Electric zu einem AWD-Fahrzeug (All Wheel Drive = Allrad) umgebaut.

  • B1   Lohner Porsche

    Bild 1: Radnabenmotoraufbau: System Lohner-Porsche (Gleichstrommaschine, Baujahr 1900) [7]. (Quelle: Christine Graf / Porsche Museum Stuttgart)

  • B2   Lohner Porsche 2

    Bild 2: Lohner-Porsche Elektromobil (Baujahr ca. 1900) aus der Sammlung des Technischen Museums Wien [8]. (Quelle: Technisches Museum Wien)

    2. Maschinendesign – erster Prototyp

    Das Konzept des in diesem Beitrag beschriebe­nen Antriebes basiert auf der Idee, die Maschine nicht, wie bei der „klassischen“ Radnabenma­schine, in die Nabe zu konstruieren, sondern die Konstruktion als Außenläufer zwischen Reibbremsanlage und Felge aufzubauen, um maximale Bauraumneutralität und minimale Maschinenmasse bei maximaler Drehmoment­bildung zu erreichen, wie Bild 3 beim ersten, zur Verifikation der FEM-­Berechnung (Finite­ Elemente­ Methode) und zum Nachweis der Antriebsfunktionalität real aufgebauten Proto­typen erahnen lässt. Bei diesem Funktions­muster sind mehr als 80 % der Motorteile einschließlich der Leistungs-­ und Steuerungs­elektronik sowie Wicklungen in der Hochschule produziert worden. Wegen des Außenläufers wird fortan nicht mehr von einer Radnaben­ sondern von einer Felgenmaschine gesprochen.

    B3 Technologieerprobungstrger

    Bild 3: Erster Technologieerprobungsträger (noch mit extern aufgebauter Leistungselektronik). (Foto: Prof. Andreas Lohner)

    Um die Grenzen eines SRM­-Felgenmotors im Hinblick beispielsweise auf das NVH-­Verhalten herauszufinden, ist der erste Prototyp als zwei­phasige Maschine mit 24 Stator­ und 36 Rotor­ polen aufgebaut worden. Bild 4 zeigt drei charakteristische Betriebspunkte dieser Ma­schine, während der Rotationsbewegung gegen den Uhrzeigersinn in der FEM­Simulation. In der ersten Position (links) wird kein Drehmoment erzeugt, das heißt die Maschine rotiert aufgrund ihrer Massenträgheit weiter. In der mittleren Abbildung wird die maximale Drehmomentbildung erreicht, die in der rech­ ten wieder zu Null wird. Hiernach muss die Bestromung der anderen Phase seriell erfolgen. Bild 5 zeigt durch den Vergleich die erfolg­reiche Verifizierung der FEM­Berechnungen durch erste vergleichende Drehmomentmes­sungen mit Prototyp 1 (aus Bild 3) im Stillstand.

    • B4   FEM Simulation

      Bild 4: FEM­Simulation des ersten Technologieerprobungsträgers. (Simulation: Prof. Andreas Lohner)

    • B5   FEM Simulation

      Bild 5: FEM-Simulation des ersten Technologieerprobungsträgers. (Simulation: Prof. Andreas Lohner)

      Aufgrund der Tatsache, dass während der nicht ausgerichteten und der ausgerichteten Position (siehe Bild 4 links und rechts) weder Phase A noch Phase B Traktionsdrehmoment erzeugen kann, hat eine zweiphasige SRM den Hauptnachteil ei­ner hundertprozentigen Drehmomentwelligkeit. Zusätzlich gibt es eine minimale Winkelstellung (0 oder 5 Grad), bei der die SRM nicht in der Lage ist, selbständig zu starten, da keine Tangential­ kraft zur Drehmomentbildung erzeugt werden kann. Dieser Effekt könnte durch zwei oder so­ gar vier Maschinen, die an einem Fahrzeug mon­ tiert sind, kompensiert werden.

      3. Finales Maschinendesign – zweiter, optimierter Prototyp

      Nach der vollständigen, statischen und dyna­ mischen Vermessung der Maschine auf dem Prüfstand ist die Maschine auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse für die Erprobung im Fahrzeug weiterentwickelt worden. Die folgenden wesentlichen Änderungen haben sich gegenüber dem ersten Prototyp (siehe Bild 3) ergeben:

      • Fünfphasige Topologie
      • Flüssigkeitskühlung
      • Integration der Leistungselektronik in die Maschine
      • Formgebung und Kapselung durch ein CFK­Gehäuse (Carbon­Gehäuse)

      Das Hauptziel bei der Konstruktion der Felgen­ maschine ist eine vollständige Integration dieser in den im Fahrzeug gegebenen Bauraum einer bereits vorhandenen Fahrzeugplattform. Wie Bild 6 in der CAD-Zeichnung und Bild 7 am Fahrzeug montiert zeigen, ist es gelungen, die Reibbremse, die Radnabe und die Radaufhängung unberührt zu lassen, während der ungenutzte Raum zwischen der Felge und der Bremsanlage verwendet worden ist, um dort die Geschaltete Reluktanzmaschine inklusive ihrer Leistungselektronik vollständig zu integrieren.

      • B6   CAD Zeichnung Maschine

        Bild 6: CAD-Zeichnung der flüssigkeitsgekühlten Maschine mit integrierter Leistungselektronik. (Zeichnung: Prof. Andreas Lohner)

      • B7 Li   Felgenantrieb Ford

        Bild 7: Felgenantrieb an der Hinterachse des Ford Focus. (Fotos: Prof. Andreas Lohner)

      • B7 Mi   Felgenantrieb Ford

        Bild 7: Felgenantrieb an der Hinterachse des Ford Focus. (Fotos: Prof. Andreas Lohner)

      • B7 Re   Felgenatrieb Ford

        Bild 7: Felgenantrieb an der Hinterachse des Ford Focus. (Fotos: Prof. Andreas Lohner)

        Der Statorhalter (gelb), zwischen Radnabe und Radträger eingefügt, trägt den Stator (grün) der Maschine, der Rotorhalter  (blau) als CFK-Bauteil den Rotor (magenta) der Geschalteten Reluktanzmaschine. Der steifigkeitsoptimierte Carbonfaser-Rotorhalter bietet die Möglichkeit einer vollständigen Kapselung der Maschine gegen Umwelteinflüsse. Die in die Maschine integrierte Leistungselektronik be- findet sich in direkter Nähe zu den Wicklungen, sodass ein zwischen beiden eingebrachtes Flüssigkeitskühlsystem (braun) für ein stabiles Temperaturniveau Sorge trägt.

        Weder die ursprüngliche Radnabe noch die Bremse und das Radlager sind modifiziert worden, und das Ziel einer hochintegrierten Maschine ist erreicht worden. Dies bietet eine große Flexibilität, beispielsweise bei der Umwandlung von konventionell verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen in (P)HEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle) oder BEV (Battery Elec- tric Vehicle). Der Wechsel von der zweiphasigen zur fünfphasigen Maschine hat eine deutliche Reduktion des Wechselanteils bei der Drehmomentbildung (siehe Bild 8) und damit auch Optimierungen im Bereich NVH zur Folge.

        B8 Drehmomentoberschwingung

        Bild 8: Vergleich der Drehmomentoberschwingung zwei vs. fünf Phasen. (Simulation: Prof. Andres Lohner)

        4. Zusammenfassung

        Mit dem in diesem Beitrag vorgestellten Konzept ist ein voll funktionsfähiger und hochintegrierter SRM-Felgenmotor dargestellt worden, der ohne mechanische Änderungen an der Hinterachse eines Projekt-Demonstrationsfahrzeugs, einem Ford Focus (siehe Bild 9), montiert worden ist. Sein Drehmoment erreicht nominell 600 Nm – kurzzeitig, beispielsweise für einen Beschleunigungsvorgang, auch mehr. Das an einer Achse verfügbare Traktionsdrehmoment ist dementsprechend doppelt so groß.

        Im Forschungsprojekt ist derzeit die Hinterachse des Fahrzeugs auf diesen Radantrieb umgebaut worden. In dieser Konfiguration erfolgen momentan Mess- und Erprobungsfahrten, an die sich die Umrüstung auch der Vorderachse auf einen Allradantrieb anschließen werden wird. Ein Testprogramm von mehreren Monaten wird jetzt Anfang 2019 dazu beitragen, die entwickelte Maschine an ihre Grenzen zu bringen, ihr NVH-Verhalten zu untersuchen, den Einfluss der ungefederten Massen [9] weiter zu erforschen und dem Gesamtziel einer „preisstabilen“ Massenproduktionsmaschine für zukünftige (P)HEV und BEV ein gutes Stück näher zu kommen.

        B9 Technologiedemonstrator

        Bild 9: Technologiedemonstrator. (Foto: Prof. Andreas Lohner)

        Literatur

        [1] Dr. Ing. h. c. F. Porsche AG: F. Porsche - Pionier des Hybridantriebs. DuMont Buchverlag, Köln, 2010.

        [2] Patent WO2013/180663A2, ELAPHE pogonske tehnologije, Mechanical design for a simple and accurate to assemble In- Wheel Electric Motor. Inventors: Lampic, G.; Gotovac, G.; Obrul, B., 2013.

        [3] Patent EU0492290A1, FIAT AUTO S.p.A., Driving Wheel Unit for an electric traction vehicle. Inventor: Gandiglio, R., 1991.

        [4] Patent DE10120742B4, Brose Fahrzeugteile GmbH & Co., Radantrieb, Inventor: Sesselmann, H.; Stenzel, M.; Schultz, M.; Schrepel, H., 2009.

        [5]T hornton, J.: Reinventing the wheel, „Electric and Hybrid Vehicle Technology International“. Great Britain, 2013.

        [6] Miller, T.J.E.: Switched Reluctance Motors and their Control. ISBN 978-0-19-859387-4, Oxford, Oxford Science Publications, 1993.

        [7] Radnabenmotor, System: Lohner-Porsche, Foto von Christine Graf, Porsche Museum Stuttgart, 2016.

        [8] Lohner-Porsche Elektromobil, Foto, Technisches Museum Wien, 2011.

        [9] Lotus Engineering Ltd, Unsprung Mass with In-Wheel Motors – Myths and Realities [online]. Access: 01.06.2017, Available under: http://www.proteanelectric.com/wp-content/ uploads/2013/07/protean-Services3.pdf

        • Andreas Lohner

          Autor

          Prof. Dr.-Ing. Andreas Lohner

          Professor für Automatisierungstechnik und Elektrische Antriebe am Institut für Automatisierungstechnik der Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik, Technische Hochschule Köln

           

        • Elektrischer Radnabenantrieb Cover

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