Fraunhofer IFAM

Radnabenmotor mit hoher Drehmomentdichte nutzt gegossene Aluminiumspulen

| Redakteur: Stefanie Michel

Gegossene Aluminiumwicklung des luftgekühlten Radnabenmotors im Einbauzustand.
Gegossene Aluminiumwicklung des luftgekühlten Radnabenmotors im Einbauzustand. (Bild: Fraunhofer IFAM)

Im Teilprojekt LARA befasst sich das Fraunhofer IFAM mit der Entwicklung, Fertigung und Erprobung eines robusten luftgekühlten Radnabenmotors mit hoher Drehmomentdichte. Durch Einsatz gießtechnisch hergestellter Spulen sind Nutfüllfaktoren bis über 80 Prozent möglich.

Radnabenmotoren bieten die Möglichkeit, Kosten und Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen durch den Wegfall von Komponenten des klassischen mechanischen Antriebsstranges zu senken. Zugleich vergrößern diese das Platzangebot im Fahrzeug und ermöglichen die Realisierung aktiver Fahrsicherheitskonzepte durch unabhängige Drehmomenteinstellung an jedem angetriebenen Rad.

Die hohen Drehmomentanforderungen von Radnabenmotoren bedingen jedoch einen erhöhten Einsatz kostenintensiver Rohstoffe wie Kupfer und NdFeB-Magnete und erfordern in der Regel eine Wasserkühlung mit entsprechend hohem Aufwand seitens der Fahrzeuginfrastruktur. Außerdem sind aufgrund der unabhängigen Drehmomenteinstellung hohe Anforderungen bezüglich der funktionalen Sicherheit einzuhalten.

Das Fraunhofer IFAM hat daher einen luftgekühlten Radnabenmotor entwickelt, der die Potenziale innovativer Fertigungstechnik und alternativer elektrischer Topologien aufzeigt, um sowohl hohe Antriebsmomente als auch optimale funktionale Sicherheit zu gewährleisten.

Elektromotor besitzt gegossene Wicklung mit maximalem Nutfüllgrad

Für die Wicklung des Elektromotors werden die vom Fraunhofer IFAM entwickelten gegossenen Spulen mit maximalem Nutfüllgrad eingesetzt, die zur Minimierung von Rohstoffkosten und Gewicht in Aluminium ausgeführt werden. Durch den Einsatz solcher Spulen lässt sich der Leiterquerschnitt exakt an den zur Verfügung stehenden Bauraum anpassen. Dies ermöglicht Nutfüllfaktoren bis über 80 %, sodass ein maximaler Leiterquerschnitt in der Nut sowie eine optimale thermische Anbindung der Leiter an den Kühlpfad erreicht werden.

CAD-Gesamtmodell eines luftgekühlten Radnabmenmtotors.
CAD-Gesamtmodell eines luftgekühlten Radnabmenmtotors. (Bild: Fraunhofer IFAM)

Dies bewirkt eine erheblich gesteigerte Entwärmung der Wicklung gegenüber konventionellen Drahtwicklungen. Trotz des geringfügig höheren spezifischen Widerstands des verwendeten Leiterwerkstoffs Aluminium gegenüber Kupfer lassen sich so in der luftgekühlten elektrischen Maschine Stromdichten auf dem Niveau konventioneller wassergekühlter Maschinen erzielen. Insgesamt wird daher eine Senkung von Gewicht und Kosten bei gleichzeitiger Steigerung der Drehmoment- und Leistungsdaten erreicht.

Dabei stellt sich als Herausforderung die Entwicklung der Isolationsbeschichtung. Am Fraunhofer IFAM werden daher Beschichtungen entwickelt, die auch unter erhöhten Betriebstemperaturen die elektrische Isolation sicherstellen. Gleichzeitig muss die Schichtdicke möglichst gering und einheitlich sein. Hierbei kommen nasschemische Verfahren, Niederdruck-Plasmaverfahren und die Light-PLAS-Technologie zum Einsatz.

Zusammenspiel mit Antriebsumrichter reduziert Fehler

Im Zusammenspiel mit dem durch das Fraunhofer IISB entwickelten luftgekühlten Antriebsumrichter mit neuer Topologie werden die Auswirkungen von Fehlern durch Bauteilausfälle oder Kurzschlüsse minimiert. Damit wird im Zusammenwirken mit der redundanten Motorsteuerung unter Berücksichtigung der Anforderungen der funktionalen Sicherheit ein im Fehlerfall rekonfigurierbares Antriebssystem zur Verfügung gestellt. Durch diese Redundanz werden bei einem Defekt auftretende Bremsmomente kompensiert und damit die Weiterfahrt, beispielsweise zur Werkstatt, ermöglicht.

Ingesamt wird ein funktional sicheres und wartungsfreies Antriebssystem mit geringen Fertigungskosten bereitgestellt. Dieses wird erstmals auf der IAA 2015 in Frankfurt/Main auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Halle 4.1, Stand D33) vorgestellt.

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