Im Vergleich zu Radialflussmotoren bieten Axialflussmotoren bei der Konstruktion von Elektrofahrzeugen viele Vorteile. Beispielsweise ermöglichen Axialflussmotoren eine Veränderung des Antriebsstrangs, indem der Motor von der Achse an die Innenseite der Räder verlagert wird.
1. Machtachse
Axialflussmotorengewinnen zunehmend an Bedeutung. Dieser Motortyp wird seit vielen Jahren in stationären Anwendungen wie Aufzügen und Landmaschinen eingesetzt. In den letzten zehn Jahren haben viele Entwickler jedoch daran gearbeitet, diese Technologie zu verbessern und sie in Elektromotorrädern, Flughafenkapseln, Lastkraftwagen, Elektrofahrzeugen und sogar Flugzeugen einzusetzen.
Herkömmliche Radialflussmotoren verwenden Permanentmagnete oder Induktionsmotoren, die deutliche Fortschritte bei der Gewichts- und Kostenoptimierung erzielt haben. Allerdings stoßen sie bei der Weiterentwicklung auf viele Schwierigkeiten. Axialflussmotoren, ein völlig anderer Motortyp, könnten eine gute Alternative sein.
Im Vergleich zu Radialmotoren entspricht die effektive magnetische Oberfläche von Axialfluss-Permanentmagnetmotoren der Oberfläche des Motorrotors und nicht dem Außendurchmesser. Daher können Axialfluss-Permanentmagnetmotoren bei einem bestimmten Motorvolumen in der Regel ein höheres Drehmoment liefern.
Axialflussmotorensind kompakter; Im Vergleich zu Radialmotoren ist die axiale Länge des Motors deutlich kürzer. Bei Innenradmotoren ist dies oft ein entscheidender Faktor. Die kompakte Bauweise von Axialmotoren gewährleistet eine höhere Leistungs- und Drehmomentdichte als vergleichbare Radialmotoren, wodurch extrem hohe Betriebsdrehzahlen überflüssig werden.
Der Wirkungsgrad von Axialflussmotoren ist ebenfalls sehr hoch und liegt in der Regel über 96 %. Dies ist auf den kürzeren, eindimensionalen Flusspfad zurückzuführen, der im Vergleich zu den besten zweidimensionalen Radialflussmotoren auf dem Markt einen vergleichbaren oder sogar höheren Wirkungsgrad aufweist.
Die Länge des Motors ist kürzer, normalerweise fünf- bis achtmal kürzer, und das Gewicht wird ebenfalls um das Zwei- bis Fünffache reduziert. Diese beiden Faktoren haben die Wahl der Designer von Elektrofahrzeugplattformen verändert.
2. Axialflusstechnologie
Es gibt zwei Haupttopologien fürAxialflussmotoren: Doppelrotor-Einzelstator (manchmal auch als Torus-Maschinen bezeichnet) und Einzelrotor-Doppelstator.
Derzeit verwenden die meisten Permanentmagnetmotoren eine Radialflusstopologie. Der magnetische Flusskreis beginnt mit einem Permanentmagneten am Rotor, verläuft durch den ersten Zahn des Stators und dann radial entlang des Stators. Anschließend durchläuft er den zweiten Zahn und erreicht den zweiten Magnetstreifen am Rotor. Bei einer Doppelrotor-Axialflusstopologie beginnt der Flusskreis beim ersten Magneten, verläuft axial durch die Statorzähne und erreicht unmittelbar den zweiten Magneten.
Dies bedeutet, dass der Flussweg viel kürzer ist als bei Radialflussmotoren, was zu kleineren Motorvolumina, höherer Leistungsdichte und Effizienz bei gleicher Leistung führt.
Ein Radialmotor, bei dem der magnetische Fluss durch den ersten Zahn fließt und dann durch den Stator zum nächsten Zahn zurückkehrt, um den Magneten zu erreichen. Der magnetische Fluss folgt einem zweidimensionalen Pfad.
Der magnetische Flusspfad einer axialen Magnetflussmaschine ist eindimensional, daher kann kornorientierter Elektrostahl verwendet werden. Dieser Stahl erleichtert den Flussdurchgang und verbessert so die Effizienz.
Radialflussmotoren verwenden traditionell verteilte Wicklungen, wobei bis zu die Hälfte der Wicklungsenden nicht funktioniert. Der Spulenüberhang führt zu zusätzlichem Gewicht, Kosten, elektrischem Widerstand und erhöhtem Wärmeverlust und zwingt die Konstrukteure zu einer Verbesserung des Wicklungsdesigns.
Die Spulenenden vonAxialflussmotorenDie Wicklungsverluste sind deutlich geringer, und einige Konstruktionen verwenden konzentrierte oder segmentierte Wicklungen, die ihre volle Wirksamkeit entfalten. Bei segmentierten Radialstatormaschinen kann der Bruch des magnetischen Flusspfades im Stator zusätzliche Verluste verursachen, bei Axialflussmotoren ist dies jedoch kein Problem. Das Design der Spulenwicklung ist entscheidend für die Unterscheidung der Lieferanten.
3. Entwicklung
Axialflussmotoren stehen in Design und Produktion vor großen Herausforderungen. Trotz ihrer technologischen Vorteile sind ihre Kosten deutlich höher als die von Radialmotoren. Radialmotoren sind bereits umfassend bekannt, und Fertigungsverfahren und mechanische Ausrüstung sind leicht verfügbar.
Eine der größten Herausforderungen bei Axialflussmotoren besteht darin, einen gleichmäßigen Luftspalt zwischen Rotor und Stator einzuhalten. Die Magnetkraft ist deutlich größer als bei Radialmotoren, was die Einhaltung eines gleichmäßigen Luftspalts erschwert. Doppelrotor-Axialflussmotoren haben zudem Probleme mit der Wärmeableitung, da sich die Wicklung tief im Stator und zwischen den beiden Rotorscheiben befindet, was die Wärmeableitung erheblich erschwert.
Axialflussmotoren sind aus vielen Gründen schwierig herzustellen. Die Doppelrotormaschine mit Jochtopologie (d. h. Entfernung des Eisenjochs vom Stator, Beibehaltung der Eisenzähne) überwindet einige dieser Probleme, ohne den Motordurchmesser und den Magneten zu vergrößern.
Das Entfernen des Jochs bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich, beispielsweise die Fixierung und Positionierung einzelner Zähne ohne mechanische Jochverbindung. Auch die Kühlung stellt eine größere Herausforderung dar.
Es ist außerdem schwierig, den Rotor herzustellen und den Luftspalt einzuhalten, da die Rotorscheibe den Rotor anzieht. Der Vorteil besteht darin, dass die Rotorscheiben über einen Wellenring direkt verbunden sind, sodass sich die Kräfte gegenseitig aufheben. Das bedeutet, dass das Innenlager diesen Kräften nicht standhält und lediglich die Funktion hat, den Stator in der Mittelposition zwischen den beiden Rotorscheiben zu halten.
Doppelstator-Einzelrotormotoren stehen nicht vor den Herausforderungen von Rundmotoren, sind aber aufgrund ihrer Konstruktion deutlich komplexer und schwieriger zu automatisieren. Zudem sind die damit verbundenen Kosten hoch. Im Gegensatz zu herkömmlichen Radialflussmotoren sind Axialmotoren erst seit kurzem in der Herstellung und mechanischen Ausrüstung verfügbar.
4. Einsatz von Elektrofahrzeugen
Zuverlässigkeit ist in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung. Der Nachweis der Zuverlässigkeit und Robustheit verschiedenerAxialflussmotorenDie Hersteller von der Eignung dieser Motoren für die Massenproduktion zu überzeugen, war schon immer eine Herausforderung. Daher führten die Anbieter von Axialmotoren selbst umfangreiche Validierungsprogramme durch. Dabei musste jeder Anbieter nachweisen, dass sich seine Motoren in nichts von herkömmlichen Radialflussmotoren unterscheiden.
Die einzige Komponente, die in einemAxialflussmotorsind die Lager. Die Länge des axialen Magnetflusses ist relativ kurz, und die Lagerposition ist näher, meist etwas überdimensioniert. Glücklicherweise hat der Axialflussmotor eine geringere Rotormasse und hält geringeren dynamischen Rotorwellenbelastungen stand. Daher ist die tatsächlich auf die Lager wirkende Kraft deutlich geringer als beim Radialflussmotor.
Die elektronische Achse ist eine der ersten Anwendungen von Axialmotoren. Durch die geringere Breite können Motor und Getriebe in der Achse gekapselt werden. Bei Hybridanwendungen verkürzt die kürzere axiale Länge des Motors wiederum die Gesamtlänge des Getriebesystems.
Der nächste Schritt besteht darin, den Axialmotor am Rad zu montieren. Dadurch kann die Kraft direkt vom Motor auf die Räder übertragen werden, was den Wirkungsgrad des Motors verbessert. Durch den Wegfall von Getrieben, Differenzialen und Antriebswellen reduziert sich zudem die Komplexität des Systems.
Es scheint jedoch, dass es bisher keine Standardkonfigurationen gibt. Jeder Erstausrüster erforscht spezifische Konfigurationen, da die unterschiedlichen Größen und Formen von Axialmotoren das Design von Elektrofahrzeugen verändern können. Im Vergleich zu Radialmotoren weisen Axialmotoren eine höhere Leistungsdichte auf, sodass kleinere Axialmotoren verwendet werden können. Dies eröffnet neue Designoptionen für Fahrzeugplattformen, beispielsweise bei der Platzierung von Batteriepacks.
4.1 Segmentierte Armatur
Die YASA-Motortopologie (Yokeless and Segmented Armature) ist ein Beispiel für eine Doppelrotor-Einzelstator-Topologie, die den Fertigungsaufwand reduziert und sich für die automatisierte Massenproduktion eignet. Diese Motoren erreichen eine Leistungsdichte von bis zu 10 kW/kg bei Drehzahlen von 2000 bis 9000 U/min.
Mithilfe eines dedizierten Controllers kann er einen Strom von 200 kVA für den Motor bereitstellen. Der Controller hat ein Volumen von etwa 5 Litern und wiegt 5,8 Kilogramm, inklusive Wärmemanagement mit dielektrischer Ölkühlung, geeignet für Axialflussmotoren sowie Induktions- und Radialflussmotoren.
Dies ermöglicht Erstausrüstern und Entwicklern von Elektrofahrzeugen, je nach Anwendung und verfügbarem Platz flexibel den passenden Motor auszuwählen. Die geringere Größe und das geringere Gewicht machen das Fahrzeug leichter und ermöglichen den Einsatz von mehr Batterien, was die Reichweite erhöht.
5. Anwendung von Elektromotorrädern
Für Elektromotorräder und Geländefahrzeuge haben einige Unternehmen AC-Axialflussmotoren entwickelt. Üblicherweise werden für diesen Fahrzeugtyp Gleichstrom-Axialflussmotoren mit Bürsten verwendet, während das neue Produkt ein vollständig abgedichtetes, bürstenloses AC-Design ist.
Die Spulen von Gleich- und Wechselstrommotoren bleiben stationär, die Doppelrotoren verwenden jedoch Permanentmagnete anstelle rotierender Anker. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass keine mechanische Umkehr erforderlich ist.
Das AC-Axial-Design kann auch Standard-Drehstrom-AC-Motorsteuerungen für Radialmotoren verwenden. Dies trägt zur Kostensenkung bei, da die Steuerung den Drehmomentstrom und nicht die Drehzahl regelt. Die Steuerung benötigt eine Frequenz von 12 kHz oder höher, was der gängigen Frequenz solcher Geräte entspricht.
Die höhere Frequenz ergibt sich aus der geringeren Wicklungsinduktivität von 20 µH. Die Frequenz kann den Strom steuern, um die Stromwelligkeit zu minimieren und ein möglichst gleichmäßiges Sinussignal zu gewährleisten. Aus dynamischer Sicht ist dies eine hervorragende Möglichkeit, eine gleichmäßigere Motorsteuerung zu erreichen, da schnelle Drehmomentänderungen möglich sind.
Bei diesem Design wird eine verteilte Doppelschichtwicklung verwendet, sodass der magnetische Fluss auf einem sehr kurzen Weg und mit höherer Effizienz vom Rotor durch den Stator zum anderen Rotor fließt.
Der Schlüssel zu diesem Design liegt darin, dass es mit einer maximalen Spannung von 60 V betrieben werden kann und nicht für Systeme mit höherer Spannung geeignet ist. Daher kann es für Elektromotorräder und vierrädrige Fahrzeuge der Klasse L7e wie den Renault Twizy verwendet werden.
Die maximale Spannung von 60 V ermöglicht die Integration des Motors in gängige 48 V-Bordnetze und vereinfacht Wartungsarbeiten.
Die Spezifikationen für vierrädrige Motorräder der Klasse L7e in der europäischen Rahmenverordnung 2002/24/EG schreiben vor, dass das Gewicht von Fahrzeugen zum Gütertransport 600 Kilogramm nicht überschreiten darf, ohne Berücksichtigung der Batterien. Diese Fahrzeuge dürfen maximal 200 Kilogramm Passagiere, maximal 1000 Kilogramm Ladung und eine Motorleistung von maximal 15 Kilowatt befördern. Das verteilte Wicklungsverfahren ermöglicht ein Drehmoment von 75–100 Nm, eine Spitzenleistung von 20–25 kW und eine Dauerleistung von 15 kW.
Die Herausforderung des Axialflusses liegt in der Wärmeableitung der Kupferwicklungen. Dies ist schwierig, da die Wärme durch den Rotor geleitet werden muss. Die verteilte Wicklung ist der Schlüssel zur Lösung dieses Problems, da sie über eine große Anzahl von Polschlitzen verfügt. Dadurch entsteht eine größere Oberfläche zwischen Kupfer und Mantel, und die Wärme kann nach außen übertragen und über ein Standard-Flüssigkeitskühlsystem abgeführt werden.
Mehrere Magnetpole sind der Schlüssel zur Nutzung sinusförmiger Wellenformen, die zur Reduzierung von Oberschwingungen beitragen. Diese Oberschwingungen äußern sich in der Erwärmung der Magnete und des Kerns, während Kupferkomponenten die Wärme nicht ableiten können. Staut sich Wärme in Magneten und Eisenkernen, sinkt der Wirkungsgrad. Deshalb ist die Optimierung der Wellenform und des Wärmepfads für die Motorleistung entscheidend.
Das Motordesign wurde optimiert, um Kosten zu senken und eine automatisierte Massenproduktion zu ermöglichen. Ein extrudierter Gehäusering erfordert keine komplexe mechanische Bearbeitung und kann die Materialkosten senken. Die Spule kann direkt gewickelt werden, und während des Wickelvorgangs wird ein Klebeverfahren eingesetzt, um die korrekte Baugruppenform zu erhalten.
Der entscheidende Punkt ist, dass die Spule aus handelsüblichem Draht besteht, während der Eisenkern mit handelsüblichem Transformatorstahl laminiert ist, der lediglich zugeschnitten werden muss. Andere Motorkonstruktionen erfordern die Verwendung weichmagnetischer Materialien in der Kernblechung, was teurer sein kann.
Durch die Verwendung verteilter Wicklungen muss der Magnetstahl nicht segmentiert werden; er kann einfacher geformt und leichter hergestellt werden. Die Reduzierung der Größe des Magnetstahls und die Gewährleistung seiner einfachen Herstellung tragen erheblich zur Kostensenkung bei.
Das Design dieses Axialflussmotors kann auch kundenspezifisch angepasst werden. Kunden erhalten maßgeschneiderte Versionen, die auf Basis des Grunddesigns entwickelt wurden. Anschließend werden sie auf einer Testproduktionslinie zur frühzeitigen Produktionsüberprüfung hergestellt, die in anderen Fabriken reproduziert werden kann.
Die Anpassung erfolgt hauptsächlich deshalb, weil die Leistung des Fahrzeugs nicht nur von der Konstruktion des Axialmagnetflussmotors abhängt, sondern auch von der Qualität der Fahrzeugstruktur, des Akkupacks und des BMS.
Veröffentlichungszeit: 28. September 2023
