Im Vergleich zu Radialflussmotoren bieten Axialflussmotoren zahlreiche Vorteile für die Konstruktion von Elektrofahrzeugen. Beispielsweise kann durch die Verlagerung des Motors von der Achse in den Radkasten die Konstruktion des Antriebsstrangs verändert werden.
1. Kraftachse
AxialflussmotorenSie gewinnen zunehmend an Bedeutung (gewinnen an Relevanz). Seit vielen Jahren wird diese Art von Motor in stationären Anwendungen wie Aufzügen und Landmaschinen eingesetzt, aber im letzten Jahrzehnt haben viele Entwickler daran gearbeitet, diese Technologie zu verbessern und sie auf Elektromotorräder, Flughafenkapseln, Lastwagen, Elektrofahrzeuge und sogar Flugzeuge anzuwenden.
Herkömmliche Radialflussmotoren nutzen Permanentmagnete oder Induktionsmotoren, bei denen hinsichtlich Gewicht und Kosten erhebliche Fortschritte erzielt wurden. Ihre Weiterentwicklung stößt jedoch auf zahlreiche Herausforderungen. Axialflussmotoren, ein völlig anderer Motortyp, könnten eine gute Alternative darstellen.
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 gleichem Motorvolumen in der Regel ein höheres Drehmoment liefern.
AxialflussmotorenAxialmotoren sind kompakter; im Vergleich zu Radialmotoren ist ihre axiale Baulänge deutlich kürzer. Dies ist insbesondere bei Radnabenmotoren oft ein entscheidender Faktor. Die kompakte Bauweise von Axialmotoren gewährleistet eine höhere Leistungs- und Drehmomentdichte als vergleichbare Radialmotoren, wodurch extrem hohe Betriebsdrehzahlen entfallen.
Der Wirkungsgrad von Axialflussmotoren ist ebenfalls sehr hoch und liegt üblicherweise über 96 %. Dies ist dem kürzeren, eindimensionalen Flussweg zu verdanken, dessen Wirkungsgrad mit dem der besten 2D-Radialflussmotoren auf dem Markt vergleichbar oder sogar höher ist.
Die Motorlänge ist kürzer, üblicherweise um das Fünf- bis Achtfache, und auch das Gewicht wird um das Zwei- bis Fünffache reduziert. Diese beiden Faktoren haben die Wahl der Plattformentwickler für Elektrofahrzeuge verändert.
2. Axialflusstechnologie
Es gibt zwei Haupttopologien fürAxialflussmotoren: Zweirotor-Einstator-Maschinen (manchmal auch als Torusmaschinen bezeichnet) und Einrotor-Zweistator-Maschinen.
Aktuell nutzen die meisten Permanentmagnetmotoren eine Radialfluss-Topologie. Der magnetische Flusskreis beginnt mit einem Permanentmagneten am Rotor, verläuft durch den ersten Statorzahn und dann radial entlang des Stators. Anschließend durchläuft er den zweiten Zahn und erreicht den zweiten Magneten am Rotor. Bei einer Axialfluss-Topologie mit zwei Rotoren beginnt der Flusskreis am 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 höherem Wirkungsgrad bei gleicher Leistung führt.
Bei einem Radialmotor durchläuft der magnetische Fluss den ersten Zahn und kehrt dann durch den Stator zum nächsten Zahn zurück, um den Magneten zu erreichen. Der magnetische Fluss folgt einer zweidimensionalen Bahn.
Der magnetische Flussweg einer axialen Magnetflussmaschine ist eindimensional, daher kann kornorientiertes Elektroblech verwendet werden. Dieses Blech erleichtert den Flussdurchtritt und verbessert somit den Wirkungsgrad.
Radialflussmotoren verwenden üblicherweise verteilte Wicklungen, wobei bis zu die Hälfte der Wicklungsenden ungenutzt bleibt. Der Spulenüberstand führt zu zusätzlichem Gewicht, höheren Kosten, erhöhtem elektrischem Widerstand und höheren Wärmeverlusten, was die Konstrukteure zwingt, die Wicklungskonstruktion zu verbessern.
Die Spulenenden vonAxialflussmotorenSie sind deutlich geringer, und einige Konstruktionen verwenden konzentrierte oder segmentierte Wicklungen, die vollkommen effizient sind. Bei Radialmaschinen mit segmentiertem Stator kann die Unterbrechung des magnetischen Flusses im Stator zu zusätzlichen Verlusten führen, bei Axialflussmotoren stellt dies jedoch kein Problem dar. Die Auslegung der Spulenwicklung ist entscheidend für die Unterscheidung der Qualität der Anbieter.
3. Entwicklung
Axialflussmotoren stehen trotz ihrer technologischen Vorteile vor erheblichen Herausforderungen in Konstruktion und Produktion; ihre Kosten sind deutlich höher als die von Radialmotoren. Radialmotoren sind hingegen gut erforscht, und Fertigungsmethoden sowie mechanische Ausrüstung sind leicht verfügbar.
Eine der größten Herausforderungen bei Axialflussmotoren besteht darin, einen gleichmäßigen Luftspalt zwischen Rotor und Stator aufrechtzuerhalten, da die magnetische Kraft deutlich größer ist als bei Radialmotoren. Dies erschwert die Einhaltung eines gleichmäßigen Luftspalts. Doppelrotor-Axialflussmotoren weisen zudem Probleme mit der Wärmeabfuhr auf, da die Wicklung tief im Stator und zwischen den beiden Rotorscheiben liegt, was die Wärmeabfuhr erheblich erschwert.
Axialflussmotoren sind aus vielen Gründen schwierig herzustellen. Die Zweiläufermaschine mit Jochtopologie (d. h. das Eisenjoch wird vom Stator entfernt, die Eisenzähne bleiben jedoch erhalten) behebt einige dieser Probleme, ohne den Motordurchmesser und den Magneten zu vergrößern.
Die Entfernung des Jochs bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich, beispielsweise die Fixierung und Positionierung einzelner Zähne ohne mechanische Jochverbindung. Auch die Kühlung gestaltet sich schwieriger.
Es ist schwierig, den Rotor herzustellen und den Luftspalt aufrechtzuerhalten, da die Rotorscheibe den Rotor anzieht. Der Vorteil besteht darin, dass die Rotorscheiben über einen Wellenring direkt verbunden sind, wodurch sich die Kräfte gegenseitig aufheben. Das bedeutet, dass das interne Lager diesen Kräften nicht standhält und seine einzige Funktion darin besteht, den Stator in der Mittelposition zwischen den beiden Rotorscheiben zu halten.
Doppelstator-Einrotor-Motoren weisen zwar nicht die gleichen Herausforderungen wie Kreiselmotoren auf, jedoch ist die Statorkonstruktion deutlich komplexer und die Automatisierung schwieriger, was mit höheren Kosten verbunden ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Radialflussmotoren sind die Fertigungsprozesse und die dazugehörigen Anlagen für Axialmotoren erst seit Kurzem verfügbar.
4. Anwendung von Elektrofahrzeugen
Zuverlässigkeit ist in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung, und der Nachweis der Zuverlässigkeit und Robustheit verschiedener Fahrzeuge ist unerlässlich.AxialflussmotorenEs war schon immer eine Herausforderung, Hersteller davon zu überzeugen, dass diese Motoren für die Massenproduktion geeignet sind. Dies hat die Anbieter von Axialmotoren veranlasst, umfangreiche Validierungsprogramme durchzuführen, wobei jeder Anbieter nachweisen konnte, dass die Zuverlässigkeit seiner Motoren der von herkömmlichen Radialflussmotoren in nichts nachsteht.
Die einzige Komponente, die in einem verschleißen kannAxialflussmotorDie Lager sind entscheidend. Da der axiale magnetische Fluss relativ kurz ist und die Lager näher beieinander liegen, sind sie üblicherweise etwas größer dimensioniert. Glücklicherweise besitzt der Axialflussmotor eine geringere Rotormasse und kann niedrigere dynamische Wellenbelastungen aufnehmen. Daher ist die tatsächlich auf die Lager wirkende Kraft deutlich geringer als beim Radialflussmotor.
Die elektronische Achse zählt zu den ersten Anwendungen von Axialmotoren. Durch die geringere Breite können Motor und Getriebe in der Achse integriert werden. In Hybridanwendungen verkürzt die kürzere axiale Baulänge des Motors wiederum die Gesamtlänge des Antriebssystems.
Im nächsten Schritt wird der Axialmotor am Rad montiert. Dadurch kann die Kraft direkt vom Motor auf die Räder übertragen werden, was den Wirkungsgrad des Motors verbessert. Durch den Wegfall von Getriebe, Differenzialen und Antriebswellen wurde zudem die Komplexität des Systems reduziert.
Es scheint jedoch, dass sich noch keine Standardkonfigurationen etabliert haben. Jeder Originalausrüster (OEM) forscht an spezifischen Konfigurationen, da die unterschiedlichen Größen und Formen von Axialmotoren das Design von Elektrofahrzeugen beeinflussen können. Im Vergleich zu Radialmotoren weisen Axialmotoren eine höhere Leistungsdichte auf, wodurch kleinere Motoren zum Einsatz kommen können. Dies eröffnet neue Gestaltungsmöglichkeiten für Fahrzeugplattformen, beispielsweise hinsichtlich der Platzierung von Akkus.
4.1 Segmentierte Armatur
Die YASA-Motortopologie (Yokeless and Segmented Armature) ist ein Beispiel für eine Zweirotor-Einstator-Topologie, die die Fertigungskomplexität reduziert und sich für die automatisierte Massenproduktion eignet. Diese Motoren weisen eine Leistungsdichte von bis zu 10 kW/kg bei Drehzahlen von 2000 bis 9000 U/min auf.
Mithilfe eines speziellen Reglers kann der Motor mit einem Strom von 200 kVA versorgt werden. Der Regler hat ein Volumen von ca. 5 Litern und wiegt 5,8 Kilogramm. Er verfügt über ein Wärmemanagement mit dielektrischer Ölkühlung und eignet sich sowohl für Axial- als auch für Radialflussmotoren.
Dies ermöglicht es Erstausrüstern von Elektrofahrzeugen und Entwicklern der ersten Ebene, den passenden Motor flexibel je nach Anwendung und verfügbarem Platz auszuwählen. Die geringere Größe und das niedrigere Gewicht führen zu einem leichteren Fahrzeug mit mehr Batterien, wodurch die Reichweite erhöht wird.
5. Anwendung von Elektromotorrädern
Für Elektromotorräder und ATVs haben einige Unternehmen AC-Axialflussmotoren entwickelt. Üblicherweise werden für diese Fahrzeugtypen DC-Axialflussmotoren mit Bürsten verwendet, während das neue Produkt ein vollständig gekapselter, bürstenloser AC-Motor ist.
Die Spulen von Gleich- und Wechselstrommotoren bleiben stationär, die Doppelrotoren verwenden jedoch Permanentmagnete anstelle von rotierenden Ankern. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass keine mechanische Drehrichtungsumkehr erforderlich ist.
Die AC-Axialmotorbauweise kann auch mit handelsüblichen Drehstrom-Motorsteuerungen für Radialmotoren betrieben werden. Dies trägt zur Kostenreduzierung bei, da die Steuerung den Strom bzw. das Drehmoment und nicht die Drehzahl regelt. Die Steuerung benötigt eine Frequenz von mindestens 12 kHz, was der gängigen Frequenz solcher Geräte entspricht.
Die höhere Frequenz resultiert aus der geringeren Wicklungsinduktivität von 20 µH. Die Frequenz ermöglicht die Stromregelung, um Stromwelligkeit zu minimieren und ein möglichst gleichmäßiges sinusförmiges Signal zu gewährleisten. Dynamisch betrachtet ist dies eine hervorragende Methode, um eine sanftere Motorsteuerung durch schnelle Drehmomentänderungen zu erreichen.
Bei dieser Konstruktion wird eine verteilte Doppelschichtwicklung verwendet, sodass der magnetische Fluss vom Rotor über den Stator zu einem anderen Rotor fließt, mit einem sehr kurzen Weg und höherer Effizienz.
Der Clou dieser Konstruktion ist, dass sie mit einer maximalen Spannung von 60 V betrieben werden kann und nicht für höhere Spannungen geeignet ist. Daher kann sie für Elektromotorräder und vierrädrige Fahrzeuge der Klasse L7e, wie beispielsweise den Renault Twizy, verwendet werden.
Die maximale Spannung von 60 V ermöglicht die Integration des Motors in gängige 48-V-Bordnetze und vereinfacht die Wartungsarbeiten.
Die Spezifikationen für vierrädrige Motorräder der Klasse L7e gemäß der europäischen Rahmenverordnung 2002/24/EG legen fest, dass das Gewicht von Fahrzeugen zur Güterbeförderung 600 Kilogramm (ohne Batterien) nicht überschreiten darf. Diese Fahrzeuge dürfen maximal 200 Kilogramm Passagiere, maximal 1000 Kilogramm Ladung und eine maximale Motorleistung von 15 Kilowatt befördern. Die verteilte Wicklungsmethode ermöglicht ein Drehmoment von 75–100 Nm, eine Spitzenleistung von 20–25 kW und eine Dauerleistung von 15 kW.
Die Herausforderung bei axialem Wärmefluss liegt in der Wärmeabfuhr der Kupferwicklungen, was schwierig ist, da die Wärme durch den Rotor abgeleitet werden muss. Die verteilte Wicklung ist der Schlüssel zur Lösung dieses Problems, da sie über eine große Anzahl von Polnuten verfügt. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche zwischen Kupfer und Gehäuse, und die Wärme kann nach außen abgeführt und über ein Standard-Flüssigkeitskühlsystem abgeführt werden.
Mehrere Magnetpole sind entscheidend für die Nutzung sinusförmiger Wellenformen, wodurch Oberschwingungen reduziert werden. Diese Oberschwingungen äußern sich in der Erwärmung der Magnete und des Kerns, wobei Kupferkomponenten die Wärme nicht abführen können. Durch die Wärmestauung in Magneten und Eisenkernen sinkt der Wirkungsgrad. Daher ist die Optimierung der Wellenform und des Wärmeabflusses für die Motorleistung von entscheidender Bedeutung.
Die Konstruktion des Motors wurde optimiert, um Kosten zu senken und eine automatisierte Serienfertigung zu ermöglichen. Ein extrudierter Gehäusering erfordert keine aufwendige mechanische Bearbeitung und kann die Materialkosten reduzieren. Die Spule kann direkt gewickelt werden; während des Wickelvorgangs wird ein Klebeverfahren eingesetzt, um die korrekte Form der Baugruppe zu gewährleisten.
Der entscheidende Punkt ist, dass die Spule aus handelsüblichem Draht besteht, während der Eisenkern aus handelsüblichem Transformatorenstahlblech laminiert ist, das lediglich in Form geschnitten werden muss. Andere Motorkonstruktionen erfordern die Verwendung von weichmagnetischen Materialien für die Kernlaminierung, was teurer sein kann.
Durch die Verwendung verteilter Wicklungen entfällt die Segmentierung des Magnetstahls; er kann einfacher geformt und leichter hergestellt werden. Die Reduzierung der Größe des Magnetstahls und die damit verbundene Vereinfachung der Fertigung tragen wesentlich zur Kostensenkung bei.
Die Konstruktion dieses Axialflussmotors kann kundenspezifisch angepasst werden. Kunden haben kundenspezifische Versionen auf Basis des Grunddesigns entwickeln lassen. Diese werden anschließend in einer Testfertigungslinie zur frühzeitigen Produktionsverifizierung hergestellt und können dann in anderen Werken repliziert werden.
Die Anpassung ist vor allem deshalb notwendig, weil die Leistung des Fahrzeugs nicht nur von der Konstruktion des axialen Magnetflussmotors abhängt, sondern auch von der Qualität der Fahrzeugstruktur, des Akkus und des Batteriemanagementsystems.
Veröffentlichungsdatum: 28. September 2023
