Optimierung neuer Elektromotordesigns

-   Und wie die Leistungsanalysatoren von Yokogawa eine Schlüsselrolle bei der Effizienzprüfung von Elektromotoren für Elektrofahrzeuge spielen –

Die Leistungsanalysatoren (Wattmeter) von Yokogawa spielen eine Schlüsselrolle bei Tests zur Optimierung des Wirkungsgrads einer neuen Generation von Motoren für Elektrofahrzeuge, die von der auf Getriebesysteme spezialisierten deutschen Firma FEAAM in Zusammenarbeit mit dem Institut für Elektromotoren und Aktuatoren entwickelt werden von der Universität der Bundeswehr (Universität der Bundeswehr) in Neubiberg bei München.

Die neuen Motoren werden im Rahmen eines Forschungsprojekts zur Erforschung der Effizienzsteigerung von Induktionsmotoren entwickelt, um zwei angebliche Einschränkungen der Marktakzeptanz von Elektroautos, nämlich die geringe Reichweite und den hohen Anschaffungspreis, zu überwinden. In diesem Forschungsprojekt werden Antriebsstrangkomponenten untersucht, und die Tests basieren auf Fahrzyklen: das gleiche Konzept, das bei Effizienz- und Emissionstests von Verbrennungsmotoren verwendet wird. Ein wichtiges Element dieses Ansatzes ist, dass die Ergebnisse nicht von der Effizienz unter Volllastbedingungen abhängen, sondern von der Teillast.

Zahnwicklung („Einzelzahnwicklung")
Ein vielversprechender Ansatz zur Optimierung des Wirkungsgrades von Elektromotoren ist das Konzept von Asynchronmotoren mit konzentrierten Wicklungen. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Induktionsmotor mit verteilter Wicklung, bei dem die Spulen um mehrere Blechzähne gewickelt sind, verwenden die Wicklungen in diesen Motoren nur einen einzigen Zahn. Obwohl diese Technik seit langem bekannt ist, hat es wegen der damit verbundenen harmonischen Störungen keine praktischen Anwendungen gegeben.

In diesem gemeinsamen Forschungsprojekt hat das Team der FEAAM-Universität die Magnetfelder im Motor durch eine Kombination aus Simulation und praktischen Experimenten sehr genau analysiert. Dadurch konnten sie verschiedene Maßnahmen zur Unterdrückung unerwünschter Oberschwingungen erarbeiten. Je näher die Harmonischen an der Grundarbeitswelle liegen, desto mehr können sie den Motorbetrieb stören und elektrische Verluste oder akustische Geräusche verursachen.

Die Verringerung des Einflusses von Oberschwingungen wird durch eine spezielle Wickeltechnik erreicht, bei der Spulen benachbarter Zähne gegenläufig gewickelt werden. Durch die richtige Einstellung der Anzahl der Drähte in jeder Spule können Oberschwingungen reduziert werden. Im Forschungsprojekt wurde zunächst der Aufbau der Spulen mit mathematischen Modellen simuliert, um später die Effekte durch Messungen zu verifizieren.

auf dem Prüfstand

Das Institut für Elektromotoren und Aktuatoren der Universität verfügt über mehrere Einrichtungen zum Testen von Elektromotoren mit einer Leistung von bis zu 220 kW und einem maximalen Drehmoment von 2.000 N·m. Die Prüfstände sind für den Vierquadrantenbetrieb ausgelegt und mit hochpräzisen Drehmoment- und Drehzahlsensoren, Leistungsanalysatoren und Oszilloskopen ausgestattet. Sie werden sowohl für studentische Projekte als auch für Forschung und Kooperationen mit der Industrie genutzt.

Der Entwicklungsprozess dauerte rund zwei Jahre und zielte auch darauf ab, die Herstellbarkeit zu optimieren, die Produktionskosten zu senken und eine hohe Leistung unter Teillastbedingungen zu erreichen.

Prototypen

Das Endergebnis ist für die Automobilindustrie und andere Industriezweige interessant. Aktuell gibt es mehrere Patentanmeldungen und erste Prototypen wurden für Industriepartner entwickelt. Der Prototyp des neuen Asynchronmotors entspricht einem konventionellen Traktionsmotor für ein Elektroauto und hat eine Leistung von rund 50 kW.

Der Motor wird von drei Phasen mit bis zu 400 V angetrieben. Die Ströme und Spannungen werden mit Hilfe von Messumformern in jeder Phase gemessen und so Asymmetrien identifiziert. Neben den Wirkungsgradmessungen erfolgt eine Aufzeichnung der Drehmoment- und Drehzahlverläufe, die zur Optimierung der mathematischen Modelle verwendet werden. Da der Rotorwiderstand und damit auch die Verluste mit der Temperatur steigen, wird dieser mit einer Kühlflüssigkeit konstant gehalten und mit einer Wärmebildkamera überwacht.

Zusätzlich werden Messungen in verschiedenen Fahrzyklen durchgeführt. Leistungs- und Effizienztests werden mit den Leistungsanalysatoren WT1600, WT1800 und WT3000 von Yokogawa durchgeführt. Die Ergebnisse, die Drehmoment-, Drehzahl- und daraus resultierende Wirkungsgradmessungen beinhalten, werden automatisch in eine Excel-Tabelle übertragen.

„Wir verwenden mehrere Generationen von Yokogawa-Leistungsmessern und sind mit ihrer Funktionsfähigkeit und den Testergebnissen sehr zufrieden“, sagt Professor Dieter Gerling, Ph.D. "Es ist besonders wichtig, dass wir bei der Messung des Wirkungsgrads sehr genau sind, selbst wenn er über 97 % liegt, und wir haben festgestellt, dass wir diesen Instrumenten voll und ganz vertrauen können."

Massenproduktion
Aufgrund seiner einfachen Herstellung und seines höheren Wirkungsgrads bei Teillastbedingungen bringt der neue Induktionsmotor Vorteile sowohl in Bezug auf die Kosten als auch auf die Autonomie.

Auch in der Produktion wird die neue Wickeltechnik neue Vorteile bringen. Die Stanzteile für den Stator können einzeln gerollt und dann einfach am Motor zusammengesteckt werden. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Induktionsmotoren, bei denen zuerst die Platten montiert werden und dann die Wicklung auf viel kompliziertere Weise aufgebracht wird. Aufgrund dieses komplizierten Herstellungsprozesses und der hohen Kosten, die mit diesem Motorentyp verbunden sind, sind sie nicht ideal für die Produktion von mehreren Millionen Einheiten pro Jahr, die typischerweise von der Automobilindustrie gefordert werden.

„Früher wurden Elektromotoren in diesem Leistungsbereich von mittelständischen Unternehmen produziert, in Stückzahlen von einigen Tausend pro Jahr“, sagt Professor Dieter Gerling. „In der Automobilindustrie sprechen wir von deutlich höheren Stückzahlen, da sind die damit verbundenen Kosten wichtiger.“

„Diese Branche hat viel Erfahrung im Kostenmanagement“, fügt er hinzu. „Das gilt natürlich auch für die Leistungselektronik und die Batterietechnik.“

Derzeit sind deutsche Unternehmen weltweit führend in der Automobilbranche, aber die Zahl der von ihnen produzierten reinen Elektrofahrzeuge ist im Vergleich zu französischen, chinesischen und vor allem japanischen Herstellern noch sehr gering.

Laut Professor Dieter Gerling haben die deutschen Automobilhersteller zumindest technologisch bereits zu ihren Wettbewerbern aufgeschlossen, sodass sie bald in der Lage sein werden, ähnliche Produkte anzubieten.

Elektromobilität

Neben dem Elektromotor hat das FEAAM- und Universitätsteam auch an der Optimierung der Leistungselektronikschaltungen sowie der Motorsteuerungssysteme gearbeitet. Auch hier gibt es bereits Vorschläge zur Optimierung des Wirkungsgrades im Teillastbereich. Darüber hinaus untersuchen sie auch elektrische Bordnetzsysteme in Fahrzeugen und Flugzeugen. In all diesen Bereichen gibt es laut Professor Dieter Gerling noch großes Verbesserungspotenzial.

Bislang wurde Gewichts- und Effizienzaspekten bei Elektromotoren wenig Beachtung geschenkt, doch mit dem Aufkommen der Elektromobilität hat sich diese Situation grundlegend geändert. Insbesondere die der Automobilindustrie innewohnenden Produktionsvolumina dürften zu massiven Kostensenkungen führen. Die Mitglieder des Teams der Universität der Bundeswehr sind davon überzeugt, dass Fahrzeugen mit Elektromotor die Zukunft gehört.