2019

#zfexperts

Für jede Anforderung die ideale E-Maschine

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Dr. Matthias Beringer, 31. Januar 2019
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Dr. Matthias Beringer ist Gruppenleiter in der Business Unit Electric Traction Drives. Sein Team und er wirken bei der Entstehung von E-Antrieben vor allem am Anfang mit.
Bereits vor weit über 100 Jahren wurde der Elektromotor erfunden. Er ist einfacher und mit viel weniger Teilen aufgebaut als ein Verbrenner. Sein Wirkungsgrad liegt heute im Bestpunkt bei über 97% Prozent. In Sachen Energieausbeute übertrifft er Benziner (knapp 30 Prozent) oder Diesel-Fahrzeuge (rund 40 Prozent) also deutlich. Dennoch finden und nutzen wir viele Möglichkeiten, die E-Maschinen immer noch besser zu machen: Mit Hilfe von Computersimulationen kreieren wir für die verschiedenen Kunden- und Einsatzanforderungen möglichst ideale Elektromotoren.

Am Anfang eines Projekts sind grundsätzliche, technische Fragen zu klären: Welche Technologien sollen zum Einsatz kommen? Wie sind die Randbedingungen des Kunden? Wie soll der feststehende Teil des Motors (Stator) mit dem drehenden (Rotor, Läufer) zusammenwirken? Soll der Rotor dem Magnetfeld des Stators nachlaufen (asynchron) oder sich mit diesem bewegen (synchron)?
Abhängig davon ist auch der Rotor konstruiert: Beim permanenterregten Läufer im Synchronmotor sorgt das Material selbst für den nötigen Magnetismus und einen hohen Wirkungsgrad; beim Rotor im Asynchronmotor muss das Magnetfeld dagegen per Strom erzeugt werden. Was besser ist?
Für Pkw-Anwendungen favorisieren wir heute in den meisten Fällen die 3-phasige, permanentmagneterregte Synchronmaschine. Wir sind allerdings in der Lage, auf ein breites technisches Portfolio auch anderer Maschinentopologien zurückzugreifen.

Weitere Unterschiede betreffen den Aufbau des Rotors und die Wicklungstechnologie im Stator, sprich die Art wie der elektrische Leiter zu einer Spule aufgewickelt ist. Hier bringt die sogenannte „Hairpin-Technologie“ Vorteile für die Performance und den Wirkungsgrad. Der Name leitet sich aus der Form und speziellen Biegung eines rechteckigen Kupferdrahts ab, welche optisch an eine Haarnadel erinnert. Auch andere Technologien wie die Wellenwicklung profitieren vom Einbringen eines rechteckigen Drahtes in die Statornuten.

Von Anfang bis Ende durchdacht

Von Anfang bis Ende durchdacht

Das Wissen wie man eine elektrische Maschine konzipiert, hat ZF als Unternehmen freilich nicht allein. Die besondere Fähigkeit des Konzerns liegt darin, bei der Motorentwicklung von Anfang an auch alle anderen entscheidenden Faktoren mit zu berücksichtigen: Technisch zählen dazu insbesondere die Leistungselektronik, die Kühlung sowie – speziell im Fall von Hybridantrieben – das Getriebe. Im Sinne einer ganzheitlichen Systembetrachtung optimieren wir unsere Maschinen aber auch laufend hinsichtlich Lebensdauer, Robustheit, Bauraum, Geräuschverhalten sowie Materialeinsatz und Kosten. Nicht zuletzt ist in der späteren Fertigung der ZF-Produkte die Reproduzierbarkeit sichergestellt: Alle Motoren eines Typs haben immer dieselbe hohe Qualität und deshalb identische Eigenschaften in der Praxis.

Rundum gut

Rundum gut

Unser Anspruch und die Kompetenz, die jeweils beste E-Maschine für den konkreten Anwendungsfall des Kunden zu generieren, wird in Plug-in-Hybriden oder Elektroautos für jeden spürbar. Die ZF-Motoren erlauben hohe Leistungen und Reichweiten zugleich. Sie verwöhnen mit guter Akustik, sind frei von Anfahrheulen und Störgeräuschen bei bestimmten Drehzahlen. Doch es geht noch besser: Mit immer besseren Simulationstools, neuesten Erkenntnissen aus der ZF-Forschung, der Materialwissenschaft und der Thermik sowie dem großen Erfahrungsschatz im Konzern werden wir künftig noch mehr aus dem Elektromotor herausholen. Unsere sehr gute Stellung im Markt zeigen ebenfalls unsere kontinuierlichen Analysen von Kennzahlen, mit welchen wir unsere Performance im Vergleich zu unseren Marktteilnehmern verfolgen und für uns die tägliche Herausforderung generieren. Für das nächste große Projekt sind wir bereits hervorragend aufgestellt: 800-Volt-E-Motoren, die durch neue Technologien bei der Leistungselektronik (Silizium-Carbid) und der Batterietechnik möglich werden.