Lass mich mit deinen Batterien in Ruhe: Die Hauptsache für ein gutes Elektroauto ist ein leichter Motor

Published on August 01, 2017

Lass mich mit deinen Batterien in Ruhe: Die Hauptsache für ein gutes Elektroauto ist ein leichter Motor

Ursprünglicher Autor: Martin Doppelbauer und Patrick Winzer
  • Übersetzung
Bild
Das Design des Autors stellt ein neues Wort in der Entwicklung von Elektromotoren dar.

Im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts arbeiteten 38% aller Autos in den USA mit Elektrizität - und dieser Prozentsatz sank auf fast Null, wobei die Dominanz von ICE in den 1920er Jahren zunahm. Das heutige Bestreben, Energie zu sparen und schädliche Emissionen zu reduzieren, hat Elektrofahrzeugen neues Leben eingehaucht, aber die hohen Kosten und die begrenzte Kilometerzahl halten den Umsatz zurück.

Die meisten Versuche, diese Probleme zu lösen, beziehen sich auf Verbesserungen der Batterie. Natürlich sollte die Verbesserung der Energiespeichersysteme, ob Batterien oder Brennstoffzellen, Teil jeder Strategie zur Verbesserung von Elektroautos bleiben, aber ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Maschinen ist verbesserungswürdig: im Motor. Seit vier Jahren arbeiten wir an einem neuen Konzept für einen Fahrmotor in Elektrofahrzeugen und Lastwagen. Unsere neueste Entwicklung verbessert die Effizienz gegenüber herkömmlichen Modellen erheblich - genug, um Elektroautos praktischer und erschwinglicher zu machen.

Letztes Jahr haben wir die Leistung unseres Motors in umfangreichen Labortests unter Beweis gestellt, und obwohl er noch lange nicht in einem Auto untergebracht ist, haben wir allen Grund zu der Annahme, dass er sich dort genauso gut zeigen wird. Unser Motor wird in der Lage sein, die Kilometerleistung moderner Elektrofahrzeuge zu erhöhen, auch wenn wir in der Batterietechnologie keine Fortschritte machen.

Bild

Um die Komplexität unserer Aufgabe zu verstehen, müssen die Grundlagen einer Elektromotorschaltung (EM-Schaltung) in Erinnerung gerufen werden. Im Vergleich zu ICE ist EM einfacher, sie haben nur wenige kritische Komponenten. Mechaniker benötigen ein Gehäuse. Es wird Stator genannt, weil es sich nicht bewegt. Erfordert einen Rotor, der die Welle dreht und Drehmoment erzeugt. Damit der Motor funktioniert, müssen Stator und Rotor mit Hilfe des Magnetismus zusammenwirken und elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln.

Motorkonzepte unterscheiden sich gerade im Bereich der magnetischen Schnittstellen. Bei DC-Kollektormotoren fließt der Strom durch Bürsten, die entlang dem Kollektorknoten gleiten. Der Strom fließt durch den Kollektor und überträgt Energie an die Wicklung des Rotors. Die Wicklung wird durch Permanentmagnete oder Statorelektromagnete abgestoßen. Die entlang des Kollektors gleitenden Bürsten ändern periodisch die Richtung des Stroms, und die Magneten des Rotors und des Stators stoßen sich immer wieder ab, wodurch der Rotor sich dreht. Mit anderen Worten wird die Drehbewegung durch ein variierendes Magnetfeld bereitgestellt, das vom Kollektor erzeugt wird, wobei die Spulen mit der Stromquelle verbunden werden und die Richtung des Stroms zyklisch geändert wird, wenn sich der Rotor dreht. Diese Technologie begrenzt jedoch das Drehmoment und leidet unter Verschleiß. Es wird in Traktions-EMs nicht mehr verwendet.

In modernen Elektrofahrzeugen wird Wechselstrom vom Wechselrichter verwendet. Hier entsteht ein dynamisches rotierendes Magnetfeld im Stator und nicht im Rotor. Dadurch können wir den Rotorkreislauf vereinfachen, der normalerweise komplexer ist als der Stator, was alle mit der Entwicklung von EM verbundenen Aufgaben erleichtert.

Es gibt zwei Arten von Wechselstrommotoren: asynchron und synchron. Wir werden uns auf Synchronität konzentrieren, da sie normalerweise besser und effizienter arbeiten.

Bild
Das fortschrittliche Kühlsystem leitet das Fluid direkt durch die Spule (links) und nicht durch das Motorgehäuse (rechts).

Synchronmotoren gibt es auch in zwei Formen. Die beliebteste ist die Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM), bei der im Rotor eingebaute Permanentmagnete verwendet werden. Um es drehen zu lassen, ist ein rotierendes Magnetfeld im Stator organisiert. Dieses Feld wird durch die Statorwicklung erhalten, die an die Wechselstromquelle angeschlossen ist. Während des Betriebs werden die Pole der Permanentmagnete des Rotors vom rotierenden Magnetfeld des Stators erfasst, wodurch der Rotor sich dreht.

Ein solches Schema, das im Chevrolet Volt und Bolt, im BMW i3, im Nissan Leaf und in vielen anderen Autos verwendet wird, kann einen Spitzenwirkungsgrad von 97% erreichen. Permanentmagnete werden normalerweise aus seltenen Erden hergestellt. anschauliche Beispiele sind sehr starke Neodym-Magnete, die 1982 von General Motors und Sumitomo entwickelt wurden.

Die offenpoligen Synchronmotoren [SPS-Synchronmaschinen (SPSM)] verwenden im Inneren des Rotors keine permanenten, sondern Elektromagnete. Bei den Polen handelt es sich um Spulen in Form von Rohren, die wie Radspeichen nach außen gerichtet sind. Diese Elektromagnete im Rotor werden von einer Konstantstromquelle gespeist, die über Schleifringe mit ihnen verbunden ist. Im Gegensatz zum Kollektor ändern Schleifringe die Stromrichtung nicht. Die Nord- und Südpole des Rotors sind statisch und die Bürsten verschleißen nicht so schnell. Wie im Fall von PMSM dreht sich der Rotor aufgrund der Drehung des Magnetfelds des Stators.

Aufgrund der Notwendigkeit, die Rotorelektromagnete durch die Schleifringe zu führen, haben diese Motoren normalerweise einen etwas niedrigeren Spitzenwirkungsgrad im Bereich von 94 bis 96%. Der Vorteil gegenüber PMSM liegt in der Einstellbarkeit des Rotorfelds, wodurch der Rotor bei hohen Drehzahlen effektiver Drehmoment erzeugen kann. Der Gesamtwirkungsgrad beim Dispergieren der Maschine steigt. Der einzige Hersteller solcher Motoren in Serienfahrzeugen ist Renault mit seinen Modellen Zoe, Fluence und Kangoo.

Elektrofahrzeuge müssen nicht nur mit effizienten, sondern auch mit leichten Komponenten gebaut werden. Der offensichtlichste Weg zur Verbesserung des Verhältnisses von Leistung zu Gewicht besteht darin, die Größe des Motors zu reduzieren. Eine solche Maschine erzeugt jedoch bei gleicher Drehzahl ein geringeres Drehmoment. Um mehr Energie zu erhalten, ist es daher erforderlich, den Motor bei höheren Geschwindigkeiten zu drehen. Heutige Elektroautos fahren mit 12.000 U / min. In der nächsten Generation werden Motoren mit 20.000 U / min betrieben. Arbeiten an Motoren mit einer Drehzahl von 30.000 U / min laufen bereits. Das Problem ist, dass das Untersetzungsgetriebe umso härter wird, je höher die Drehzahl ist - die Drehzahl des Motors ist zu viel höher als die Drehzahl der Räder. Aus der Komplexität des Getriebes folgt ein großer Energieverlust.

Bild
Idealer Sturm: In der Autorenversion (oben) werden die Lorentzkraft und die verschobene Induktivität (grau) zu der maximalen Gesamtkraft (blau) von 2 summiert. Bei einem herkömmlichen Motor (unten) ergibt die Summe der beiden Kräfte - die Lorentzkräfte und der magnetische Widerstand (grau) eine Gesamtkraft blau) und erreicht eine Spitze von nur 1,76 mit einem Auslaufwinkel des Rotors bei 0,94 rad. Der Unterschied in diesem Beispiel beträgt 14%. Der

zweite Ansatz zur Verbesserung des Leistungsgewicht-Verhältnisses besteht darin, die Stärke des Magnetfelds zu erhöhen, wodurch das Drehmoment erhöht wird. Dies ist die Bedeutung des Hinzufügens eines Eisenkerns zu der Spule - obwohl dies das Gewicht erhöht, erhöht es gleichzeitig die magnetische Flussdichte um zwei Größenordnungen. Daher verwenden fast alle modernen EMs Eisenkerne im Stator und im Rotor.

Es gibt jedoch ein Minus. Wenn die Feldstärke bis zu einer bestimmten Grenze ansteigt, verliert das Eisen die Möglichkeit, die Flussdichte zu erhöhen. Diese Sättigung kann durch Zugabe von Additiven und Änderung des Eisenherstellungsprozesses geringfügig beeinflusst werden. Die effektivsten Materialien sind jedoch auf 1,5 V * s / m 2 (Volt pro Sekunde pro Quadratmeter oder Tesla, T) begrenzt. Nur sehr teure und seltene Vakuum-Eisen-Kobalt-Materialien können magnetische Flussdichten von 2 T oder mehr erreichen.

Und schließlich der dritte Standardweg, um die Drehmomentfeldverstärkung durch die Verstärkung des durch die Spulen fließenden Stroms zu erhöhen. Wieder gibt es Einschränkungen. Erhöhen Sie den Strom und die Widerstandsverluste steigen, der Wirkungsgrad sinkt und es tritt Hitze auf, die den Motor beschädigen kann. Für Drähte können Sie ein Metall verwenden, das besser leitfähig ist als Kupfer. Silberdrähte kommen auch vor, aber ihre Verwendung in einem solchen Gerät wäre absolut teuer.

Die einzige praktische Möglichkeit, den Strom zu erhöhen, ist die Kontrolle der Wärme. Fortschrittliche Kühllösungen leiten die Flüssigkeit direkt neben den Spulen und nicht weiter außerhalb des Stators.

Alle diese Schritte helfen, das Verhältnis von Gewicht zu Leistung zu verbessern. Bei Elektroautos, bei denen die Kosten keine Rolle spielen, können die Motoren 0,15 kg pro Kilowatt erreichen, was mit dem besten ICE der Formel 1 vergleichbar ist.

Wir haben mit den Studenten solche Hochleistungs-Elektromotoren für das Auto entwickelt und entwickelt , das vor drei Jahren an der Formel-Formel- Formel-1- Klasse teilgenommen hat. Wir haben Motoren in unserem Labor geschaffen.am elektrotechnischen Institut des Karlsruher Instituts für Technologie. Jedes Jahr entwickelte das Team ein neues Auto mit verbesserter Motor-, Getriebe- und Leistungselektronik. Im Auto vier Motoren, einer für das Rad. Jeder hat einen Durchmesser von nur 8 cm, eine Länge von 12 cm und ein Gewicht von 4,1 kg. Er produziert konstant 30 kW und an der Spitze 50 kW. 2016 gewann unser Team die Weltmeisterschaft .

So kann es wirklich getan werden, wenn die Kosten Sie nicht stören. Die Hauptfrage ist, ob es möglich ist, solche Technologien zur Effizienzsteigerung in der Massenproduktion in einem Auto einzusetzen, das Sie kaufen könnten. Wir haben einen solchen Motor entwickelt, daher ist die Antwort auf die Frage positiv.

Wir haben mit einer einfachen Idee begonnen. Elektromotoren funktionieren sowohl in der Rolle von Motoren als auch in der Rolle von Generatoren gut, obwohl eine solche Symmetrie für Elektrofahrzeuge nicht besonders erforderlich ist. Ein Auto braucht einen Motor, der als Motor besser funktioniert als als Generator - letzterer dient nur zum Laden der Batterien beim regenerativen Bremsen.

Um diese Idee zu verstehen, sollten Sie den Betrieb des PMSM-Motors berücksichtigen. Bei einer solchen motorischen Bewegung entstehen zwei Kräfte. Zum einen die Kraft, die von den Permanentmagneten im Rotor ausgeht. Wenn Strom durch die Kupferspulen des Stators fließt, erzeugen sie ein Magnetfeld. Im Laufe der Zeit fließt der Strom von einer Spule zur anderen und bewirkt, dass sich das Magnetfeld dreht. Das Drehfeld des Stators zieht die Permanentmagnete des Rotors an und beginnt sich zu bewegen. Dieses Prinzip basiert auf der Lorentzkraft, die die Bewegung eines geladenen Teilchens in einem Magnetfeld beeinflusst.

Moderne EMs erhalten jedoch einen Teil der Energie aus dem magnetischen Widerstand - der Kraft, die den Eisenblock an den Magneten anzieht. Das Drehfeld des Stators zieht sowohl Permanentmagnete als auch Rotoreisen an. Die Lorentzkraft und der magnetische Widerstand wirken nebeneinander und sind - je nach Motorkreis - etwa gleich groß. Beide Kräfte sind ungefähr null, wenn die Magnetfelder von Rotor und Stator ausgeglichen sind. Mit zunehmendem Winkel erzeugt der Motor mechanische Energie.

In einem Synchronmotor arbeiten das Stator- und das Rotorfeld ohne Verzögerungen zusammen, die in Asynchronmaschinen vorhanden sind. Das Statorfeld steht in einem bestimmten Winkel zum Rotorfeld, das während des Betriebs eingestellt werden kann, um den höchsten Wirkungsgrad zu erzielen. Der optimale Winkel zum Erzeugen des Drehmoments bei einem gegebenen Strom kann vorab berechnet werden. Wenn sich der Strom ändert, passt er sich dann an ein Leistungselektroniksystem an, das der Statorwicklung Wechselstrom zuführt.

Aber hier ist das Problem: Wenn sich das Statorfeld relativ zur Rotorposition bewegt, nehmen die Lorentzkraft und der magnetische Widerstand zu oder ab. Die Lorentz-Kraft nimmt in einer Sinuswelle zu, die vom Referenzpunkt (von dem Punkt, an dem die Stator- und Rotorfelder ausgerichtet sind) einen Spitzenwert von 90 Grad erreicht. Die Kraft des manuellen Widerstands ändert sich zyklisch doppelt so schnell und erreicht daher einen Höchstwert bei 45 Grad.

Da die Kräfte an verschiedenen Stellen ein Maximum erreichen, ist die maximale Motorleistung geringer als die Summe ihrer Teile. Angenommen, ein bestimmter Motor stellt zu einem bestimmten Arbeitszeitpunkt fest, dass der optimale Winkel für das Maximum der Gesamtkraft 54 ​​Grad beträgt. In diesem Fall ist diese Spitze 14% niedriger als die Gesamtspitzen der beiden Kräfte. Dies ist der bestmögliche Kompromiss dieses Schemas.

Bild

Wenn wir diesen Motor so verändern könnten, dass die beiden Kräfte an einem Punkt des Zyklus ein Maximum erreicht hätten, würde die Leistung des Motors völlig kostenlos um 14% steigen. Sie würden nur die Leistung des Generators verlieren. Wie wir später zeigen werden, haben wir jedoch einen Weg gefunden, diese Fähigkeit wiederherzustellen, so dass der Motor beim Bremsen die Energie besser wiederherstellt.

Die Entwicklung eines perfekt ausrichtenden Motorfeldes ist nicht einfach. Das Problem ist die Kombination von PMSM und SPSM zu einem neuen Hybridschema. Das Ergebnis ist ein Hybridsynchronmotor mit einer versetzten Achse des magnetischen Widerstands. Tatsächlich verwendet dieser Motor sowohl Drähte als auch Permanentmagnete, um ein Magnetfeld im Rotor zu erzeugen.

Andere versuchten, in diese Richtung zu arbeiten, und ließen diese Idee fallen. Sie wollten jedoch nur Permanentmagneten verwenden, um das elektromagnetische Feld zu verstärken. Unsere Innovation besteht darin, Magnete nur zu verwenden, um dem Feld eine genaue Form zu geben, um zwei Kräfte optimal auszurichten - die Lorentzkraft und die magnetische Widerstandskraft.

Das Hauptproblem bei der Entwicklung war die Suche nach einem solchen Rotordesign, das die Form des Feldes verändern könnte, während es stark genug bleibt, um bei hohen Geschwindigkeiten zu drehen, ohne zu brechen. Im Zentrum unseres Schemas steht die Mehrschichtstruktur eines Rotors, der eine Kupferwicklung auf einem Eisenkern trägt. Wir haben Permanentmagnete auf die Pole des Kerns geklebt; zusätzliche Stacheln behindern ihre Abreise. Um alles in Position zu halten, verwendeten wir starke und leichte Titanstifte, die durch die elektromagnetischen Pole des Rotors geführt und von Muttern zu den Edelstahlringen gezogen wurden.

Wir haben auch einen Weg gefunden, den Nachteil des Originalmotors zu umgehen und das Drehmoment bei laufendem Generator zu reduzieren. Jetzt können wir die Richtung des Feldes im Rotor ändern, so dass die Erzeugung beim regenerativen Bremsen genauso effektiv arbeitet wie der Motormodus.

Dies wurde erreicht, indem die Stromrichtung in der Wicklung des Rotors im Generatormodus geändert wurde. Es funktioniert wie folgt. Stellen Sie sich die ursprüngliche Form des Rotors vor. Wenn Sie um seinen Umfang herumgehen, finden Sie eine bestimmte Abfolge der Nord- und Südpole von elektromagnetischen (E) und permanentmagnetischen (P) Quellen: NE, NP, SE, SP. Diese Sequenz wird so oft wiederholt, wie sich im Motor Polpaare befinden. Ändern Sie die Richtung des Stroms in der Wicklung, ändern wir die Ausrichtung der elektromagnetischen Pole, und nur sie ändern sich als Folge in SE, NP, NE, SP.

Nachdem Sie diese beiden Sequenzen studiert haben, werden Sie sehen, dass die zweite der ersten ähnelt und rückwärts geht. Dies bedeutet, dass der Rotor im Motormodus (erste Sequenz) oder im Generatormodus (zweiter Modus) verwendet werden kann, wenn der Strom im Rotor in die entgegengesetzte Richtung wechselt. Somit arbeitet unsere Maschine effizienter als herkömmliche Motoren, sowohl als Motor als auch als Generator. Bei unserem Prototyp dauert die Änderung der Stromrichtung nicht mehr als 70 ms, was für Autos schnell genug ist.

Letztes Jahr haben wir einen Prototyp eines Motors auf einer Werkbank gebaut und einer gründlichen Prüfung unterzogen. Die Ergebnisse sind eindeutig: Mit der gleichen Leistungselektronik, den Statorparametern und anderen Einschränkungen eines herkömmlichen Motors ist die Maschine in der Lage, fast 6% mehr Drehmoment und 2% mehr Wirkungsgrad bei Spitzenleistung zu liefern. Im Fahrzyklus sind die Ergebnisse noch besser: Sie benötigen 4,4% weniger Energie. Dies bedeutet, dass ein Auto, das 100 km mit einer einzigen Ladung fährt, mit diesem Motor 104,4 km fahren würde. Wir bekommen fast kostenlos zusätzliche Kilometer, weil es in unserem System nur wenige zusätzliche Teile gibt, die spürbar weniger kosten als zusätzliche Batterien.

Wir haben mit mehreren Ausrüstungsherstellern Kontakt aufgenommen, und sie fanden unser Konzept interessant, obwohl es lange dauern würde, bis Sie einen dieser asymmetrischen Motoren in einem Serienauto sehen. Da dies jedoch der Fall ist, wird es zu einem neuen Standard, da die Gewinnung aller möglichen Vorteile aus der Energie, die Sie haben, sowohl für die Autohersteller als auch für unsere gesamte Gesellschaft Priorität hat.