Induktiver Erreger in der Welle Kompakter E-Motor ohne Magnete und Seltene Erden

Anbieter zum Thema

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Einen besonders kompakten E-Motor, der ohne Magnete auskommt, entwickelt ZF zur Serienreife. Im Unterschied zu heute schon verfügbaren magnetfreien fremderregten E-Motoren wird beim Konzept von ZF die Energie für das Magnetfeld über einen induktiven Erreger innerhalb der Rotorwelle übertragen.

Diese weiterentwickelte Variante eines fremderregten Synchronmotors (FSM) ist damit eine Alternative zu den so genannten permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PSM). Letztere sind aktuell die am häufigsten bei E-Fahrzeugen eingesetzten Motoren, basieren allerdings auf Magneten, zu deren Herstellung Seltene Erden notwendig sind. ZF verfolgt mit dem I2SM (In-Rotor Inductive-Excited Synchronous Motor) das Ziel, E-Motoren sowohl äußerst nachhaltig in der Produktion als auch höchst leistungsfähig und effizient im Betrieb zu machen.

„Mit diesem magnetfreien E-Motor ohne Seltene Erden haben wir eine weitere Innovation, mit der wir unser elektrisches Antriebsportfolio konsequent auf nachhaltige, effiziente und ressourcenschonende Mobilität trimmen“, sagt Dr. Holger Klein, Vorstandsvorsitzender von ZF. Im Vergleich zu gängigen FSM-Systemen können durch den induktiven Erreger die Verluste bei der Energieübertragung in den Rotor um 15 Prozent reduziert werden. Außerdem kann der CO2-Footprint in der Herstellung, zu dem bei PSM-E-Motoren insbesondere die Magnete mit Seltenen Erden beitragen, um bis zu 50 Prozent gesenkt werden.

Der Verzicht auf Seltene Erden spart in der Produktion nicht nur wertvolle Ressourcen ein, sondern verringert auch die Abhängigkeiten in den Lieferketten. Darüber hinaus treten im Vergleich zu PSM keine Schleppverluste durch Permanentmagnete auf. Dies ermöglicht in bestimmten Betriebspunkten wie langen Autobahnfahrten mit hoher Drehzahl einen besseren Wirkungsgrad.

Rotordesign macht den E-Motor sehr kompakt

Damit sich das Magnetfeld im Rotor durch Strom statt durch Magnete aufbaut, sind beim FSM-Konzept aktuell noch in den meisten Fällen Schleif- oder Bürstenelemente notwendig, die zu Kompromissen zwingen: Es ist ein trockener, also für die Ölkühlung nicht zugänglicher Bauraum mit zusätzlichen Dichtungen notwendig. Dadurch nehmen diese herkömmlichen FSM axial rund 90 mm mehr Raum in Anspruch. Infolgedessen können Hersteller bei ihrer Modellplanung in der Regel nicht flexibel und ohne zusätzlichen Aufwand zwischen PSM- und FSM-Varianten variieren.

ZF ist es laut eigenen Angaben gelungen, die bauartbedingten Nachteile gängiger fremderregter Synchronmaschinen auszugleichen und damit die Vorteile fremderregter Synchronmaschinen wettbewerbsfähig anbieten zu können. Insbesondere die Drehmomentdichte konnte durch ein innovatives Rotordesign gegenüber dem Stand der Technik deutlich gesteigert werden. Durch die Integration des Erregers in den Rotor entstehen keine axialen Bauraumnachteile. Zudem wird durch die höhere Leistungsdichte im Rotor auch die Performance besser.

Induktive Übertragung als Schlüsseltechnik

Technologische Voraussetzung für die ZF-Innovation ist, dass Energie induktiv, also kontaktlos in den Rotor übertragen wird und dort mittels Spulen ein Magnetfeld erzeugt. Damit benötigt der I2SM Motor keine Bürstenelemente oder Schleifringe. Des Weiteren besteht keine Notwendigkeit mehr, diesen Bereich durch Dichtungen trocken zu halten. Wie bei permanentmagnetisierten Synchronmaschinen wird der Rotor durch umfließendes Öl effizient gekühlt. Verglichen mit gängigen fremderregten E-Maschinen benötigt die ZF-Innovation bis zu 90 Millimeter weniger axialen Bauraum. Im Hinblick auf die Leistungs- und Drehmomentdichte agiert der Motor dagegen auf dem Niveau einer PSM.

ZF plant, die I2SM-Technologie zur Serienreife zu entwickeln und als Option innerhalb der eigenen E-Antriebsplattform anzubieten. Kunden aus dem Pkw- und Nutzfahrzeugsegment können dann für ihre jeweiligen Anwendungen zwischen einer Variante mit 400-Volt-Architektur oder mit 800-Volt-Architektur wählen. Letztere setzt auf Siliziumkarbid-Chips in der Leistungselektronik. (cg)

Motoren für Elektrofahrzeuge

E-Antriebe: Bosch setzt auf 800-Volt-Technik

Hohe Drehmomentdichte: 70 Nm pro kg Antriebsgewicht

ZF stellt kompaktesten E-Antrieb für Pkw vor

(ID:49748834)