Synchronmotor-Testfahrt: Was bedeutet das?
Elektroautos werden immer noch von der Batterieentwicklung überschattet
Die rasante Entwicklung von Hybridantrieben und beispiellose Fortschritte in den letzten Jahren auf dem Gebiet der Elektrofahrzeuge stehen im Mittelpunkt der Entwicklung der Batterietechnologie. Sie erfordern maximale Ressourcen von Entwicklern und sind die größte Herausforderung für Designer. Man sollte jedoch nicht unterschätzen, dass Fortschritte bei der Entwicklung fortschrittlicher Lithium-Ionen-Technologien mit erheblichen Fortschritten auf dem Gebiet der Leistungsregelung von elektrischen Strömen und Elektromotoren einhergehen. Es stellte sich heraus, dass Elektromotoren zwar einen hohen Wirkungsgrad haben, aber ein ernstes Entwicklungsfeld haben.
Designer erwarten, dass diese Branche extrem schnell wächst, nicht nur, weil Elektrofahrzeuge immer häufiger werden, sondern auch, weil die Elektrifizierung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ein wichtiges Element der in der Europäischen Union festgelegten Emissionswerte ist.
Obwohl der Elektromotor eine alte Geschichte hat, stehen Designer heute vor neuen Herausforderungen. Elektromotoren können je nach Verwendungszweck ein schmales Design und einen großen Durchmesser oder einen kleinen Durchmesser und einen langen Körper haben. Ihr Verhalten bei reinen Elektrofahrzeugen unterscheidet sich von dem bei Hybriden, bei denen die vom Verbrennungsmotor erzeugte Wärme berücksichtigt werden muss. Bei Elektrofahrzeugen ist der Drehzahlbereich breiter, und diejenigen, die in einem Parallelhybridsystem im Getriebe installiert sind, müssen für den Betrieb im Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors optimiert werden. Die meisten Maschinen werden mit Hochspannung betrieben, aber 48-Volt-Elektromaschinen werden immer beliebter.
Warum Wechselstrommotoren?
Trotz der Tatsache, dass die Stromquelle in der Person der Batterie Gleichstrom ist, denken Entwickler von elektrischen Systemen derzeit nicht über die Verwendung von Gleichstrommotoren nach. Selbst bei Umwandlungsverlusten übertreffen AC-Einheiten, insbesondere synchrone, DC-Einheiten. Aber was bedeutet eigentlich ein Synchron- oder Asynchronmotor? Wir werden Ihnen diesen Teil der Automobilwelt vorstellen, denn während Elektroautos in Automobilen seit langem in Form von Startern und Lichtmaschinen existieren, wurden in diesem Bereich kürzlich völlig neue Technologien eingeführt.
Toyota, GM und BMW sind mittlerweile einige der wenigen Hersteller, die die Entwicklung und Produktion von Elektromotoren selbst übernommen haben. Sogar die Toyota-Tochter Lexus liefert diese Geräte an ein anderes Unternehmen, das japanische Unternehmen Aisin. Die meisten Unternehmen setzen auf Zulieferer wie ZF Sachs, Siemens, Bosch, Zytec oder chinesische Unternehmen. Die schnelle Entwicklung dieses Geschäfts ermöglicht es diesen Unternehmen offensichtlich, von Partnerschaften mit Automobilherstellern zu profitieren. Auf technologischer Seite werden heute für die Bedürfnisse von Elektrofahrzeugen und Hybriden hauptsächlich AC-Synchronmotoren mit Außen- oder Innenläufer verwendet.
Die Fähigkeit, Gleichstrombatterien effizient in dreiphasigen Wechselstrom umzuwandeln und umgekehrt, ist hauptsächlich auf Fortschritte in der Steuerungstechnik zurückzuführen. Die Strompegel in der Leistungselektronik erreichen jedoch ein um ein Vielfaches höheres Niveau als in einem elektrischen Haushaltsnetz und überschreiten häufig 150 Ampere. Dies erzeugt viel Wärme, mit der die Leistungselektronik umgehen muss. Gegenwärtig ist das Volumen elektronischer Steuergeräte immer noch groß, da elektronische Halbleitersteuergeräte nicht mit einem Zauberstab reduziert werden können.
Sowohl Synchron- als auch Asynchronmotoren sind eine Art elektrische Maschinen mit rotierendem Magnetfeld, die eine höhere Leistungsdichte aufweisen. Im Allgemeinen besteht der Rotor eines Induktionsmotors aus einem einfachen Paket aus massiven Blechen mit kurzgeschlossenen Wicklungen. Strom fließt in den Statorwicklungen in entgegengesetzten Paaren, wobei Strom von einer der drei Phasen in jedem Paar fließt. Da es jeweils um 120 Grad gegeneinander phasenverschoben ist, entsteht das sogenannte rotierende Magnetfeld. Dies wiederum induziert im Rotor ein Magnetfeld, und die Wechselwirkung zwischen zwei Magnetfeldern - dem im Stator rotierenden und dem magnetischen Feld des Rotors - führt zu einer Mitnahme des letzteren und einer anschließenden Rotation. Bei dieser Art von Elektromotor hinkt jedoch der Rotor dem Feld immer hinterher, denn wenn es keine Relativbewegung zwischen dem Feld und dem Rotor gibt, wird er kein Magnetfeld im Rotor induzieren. Somit wird die Höhe der maximalen Drehzahl durch die Frequenz des Versorgungsstroms und der Last bestimmt. Aufgrund des höheren Wirkungsgrades von Synchronmotoren bleiben die meisten Hersteller jedoch dabei.
Synchronmotoren
Diese Geräte haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad und eine deutlich höhere Leistungsdichte. Ein wesentlicher Unterschied zu einem Induktionsmotor besteht darin, dass das Magnetfeld im Rotor nicht durch Wechselwirkung mit dem Stator erzeugt wird, sondern entweder durch den Strom fließt, der durch die darin installierten zusätzlichen Wicklungen fließt, oder durch Permanentmagnete. Somit sind das Feld im Rotor und das Feld im Stator synchron, und die maximale Motordrehzahl hängt auch von der Drehung des Feldes bzw. von der Frequenz des Stroms und der Last ab. Um die Notwendigkeit einer zusätzlichen Stromversorgung der Wicklungen zu vermeiden, die den Stromverbrauch erhöht und die Stromregelung in modernen Elektrofahrzeugen und Hybridmodellen erschwert, werden Elektromotoren mit der sogenannten konstanten Erregung verwendet, d.h. mit Permanentmagneten. Wie bereits erwähnt, verwenden derzeit fast alle Hersteller solcher Autos Einheiten dieses Typs. Daher wird es nach Ansicht vieler Experten immer noch ein Problem mit einem Mangel an teuren Seltenerdelementen Neodym und Dysprosium geben. Synchronmotoren gibt es in verschiedenen Varianten und gemischten Technologielösungen wie BMW oder GM, aber wir werden Ihnen mehr darüber erzählen.
Bau
Rein elektrische Fahrzeugmotoren sind in der Regel direkt mit dem Differential der Antriebsachse gekoppelt und die Kraft wird über Achswellen auf die Räder übertragen, wodurch mechanische Übertragungsverluste reduziert werden. Mit dieser Anordnung unter dem Boden wird der Schwerpunkt reduziert und das gesamte Blockdesign wird kompakter. Ganz anders sieht es bei der Auslegung von Hybridmodellen aus. Bei Vollhybriden wie Single-Mode (Toyota und Lexus) und Dual-Mode (Chevrolet Tahoe) sind die Elektromotoren in gewisser Weise mit den Planetengetrieben im Hybridantriebsstrang verbunden, in diesem Fall erfordert die Kompaktheit eine längere und kleinere Bauweise Durchmesser. Bei klassischen Parallel-Hybriden führt die Kompaktheit dazu, dass die Baugruppe zwischen Schwungrad und Getriebe einen größeren Durchmesser hat und relativ flach ist, Hersteller wie Bosch und ZF Sachs setzen sogar auf ein scheibenförmiges Rotordesign. Auch beim Rotor gibt es Variationen – während sich beim Lexus LS 600h das rotierende Element innen befindet, befindet sich bei einigen Mercedes-Modellen der rotierende Rotor außen. Letzteres ist auch sehr praktisch, wenn die Elektromotoren in den Radnaben verbaut sind.
Text: Georgy Kolev
