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Ausgewählte Ausgabe: 06-2015 Ansicht: Modernes Layout
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Konstruktion elektrischer Radnabenmotoren mit Luftspaltwicklung für Kraftfahrzeuge

Geht es um elektrische Antriebskonzepte für Personenkraftwagen, rücken schnell die Vorteile des radindividuellen Antriebs und des frei werdenden Bauraums innerhalb des Fahrzeuges in den Vordergrund. Jedoch stehen die Entwickler von elektrischen Radnabenantrieben vor etlichen Herausforderungen, die mit der technischen Realisierung beginnen und der Markteinführung als Großserienprodukt enden. Nach einer ersten Phase der Forschung an der Fakultät für Maschinenbau der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg an einem Radnabenmotorprototyp mit Luftspaltwicklung konnte das Drittmittelprojekt „Elisa Radnabenmotor“ gestartet werden. Der nachfolgende Beitrag gibt einen Überblick über die Aufgaben und Herangehensweise des Konstrukteurs in diesem Forschungsvorhaben.


Nutenlose Luftspaltwicklung

Bei der Entwicklung von Radnabenmotoren ist in Abgrenzung zu industriellen Elektromotoren die von Schmutz und Temperaturextremen geprägte Straßenumgebung, die Bauraumrestriktion und die Belastung als tragendes Fahrwerkselement zu berücksichtigen. Die Gewährleistung der angestrebten schwingungsdynamischen Eigenschaften des Radmoduls durch eine möglichst geringe Masse seiner Komponenten ist von weiterer Bedeutung. Hier setzt der Forschungsschwerpunkt des Lehrstuhls für Mechatronik der Otto-von-Guericke- Universität Magdeburg an, der das elektrische Motorprinzip der elektrisch kommutierten Maschine mit Luftspaltwicklung und permanenter Felderregung nutzt. Dieses Prinzip nutzt die Lorentzkraft, die auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt, welcher im rotierenden Magnetfeld liegt. Im Gegensatz zu bisherigen Luftspaltantrieben legen Kasper et. al. [1] die Leiter direkt auf das Statoreisen des magnetischen Kreises. In der Gesamtheit besteht der Rotor aus einem dünnen ringförmigen Eisenrückschluss mit aufgeklebten Magneten und der Stator aus einem nutenlosen geblechten Eisenring mit mäanderförmig aufgeklebten Leitern. Die anfallende Verlustwärme, die hauptsächlich in den Leitern entsteht, wird über die dünne Klebeschicht und das Eisenblechpaket zum wassergekühlten Statorinneren aus Aluminium weitergeleitet. Aufgrund dieser guten Wärmeleitfähigkeit kann eine Nennstromdichte gefahren werden, die deutlich über derjenigen wassergekühlter permanenterregter Synchronmaschinen liegt. In der Folge ist es möglich, eine sehr hohe massenbezogene spezifische Leistungsdichte von ca. 4 kW/kg der antreibenden elektromagnetischen Komponenten zu erreichen. Zusammenfassend zeichnet sich die von Borchardt erforschte Luftspaltmaschine durch eine hohe Leistungsdichte und Wirkungsgrad aus [2]. Anders als bei vergleichbaren Trak- tionsantrieben ist die Querschnitts-geometrie der elektromagnetischen Antriebsbauteile durch eine flache aber axial lang gestreckte Form gekennzeichnet.

Konstruktionsmethodik

Bildartikel zu KAP-Zörnig Kasper Bild 1.jpg

Bild 1
Erster Radnabenmotor

Mit dem Ziel, dieses neue elektrische Maschinenprinzip als Kernkomponente für einen elektrischen Radnabenmotor zu nutzen, begannen 2011 die Entwicklungsarbeiten als interdisziplinäres Projekt [3] (Bild 1). Bei der Konstruktion der Radnabenmotoren ist durchgängig eine methodische Vorgehensweise nach Pahl und Beitz angewandt worden, wie sie von Grote am Lehrstuhl Konstruktionstechnik vermittelt wird [4]. Mit der Unterteilung des gesamten Konstruktionsprozesses in die vier Hauptphasen – Präzisierung, Konzeption, Entwurf und Ausarbeitung – und der Nutzung der dazuge- hörigen Prozesstechniken konnten planvoll die Maschinen erschaffen und die Grundlage für die Dokumentation gelegt werden. Die Anforderungsliste resultierte grundlegend aus den Be-sonderheiten von Fahrwerkssystemen, Elektromaschinen und den Eigenschaften des Luftspaltprinzips. In der Konzeptphase wurde zunächst eine Funktionsstruktur erarbeitet und danach prinzipielle Lösungen im morphologischen Kasten eingetragen. Hieraus konnten technische Konzepte abgeleitet werden. Weiterhin wurde die räumliche Anordnung der Funktionseinheiten variiert. In der Entwurfsphase wurden aussichtsreiche technische Konzepte grobgestaltet und bewertet. Für die Feingestaltung mussten die eingesetzten Maschinenelemente berechnet werden. Die Erstellung fertigungsgerechter Zeichnungen war Bestandteil der Ausarbeitungsphase.

Seite des Artikels
Autoren

Dipl.-Ing.  Andreas Zörnig

Konstrukteur

Lehrstuhl Mechatronik
Institut für Mobile Systeme
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg
Tel.: 03 91/6 75 86 06
E-Mail: mtk@ovgu.de
www.ims.ovgu.de

Prof. Dr.-Ing. Roland Kasper

Lehrstuhlleiter

Lehrstuhl Mechatronik
Institut für Mobile Systeme
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg
Tel.: 03 91/6 75 86 06
E-Mail: mtk@ovgu.de
www.ims.ovgu.de

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