Robuste Alternative

von Prof. Dr. Rik W. De Doncker, Timo Schoenen

Aufgrund der starken Nachfrage nach alternativen Antrieben spielen elektrische Antriebe heutzutage eine große Rolle bei der Entwicklung neuer Fahrzeugkonzepte. Im Bereich elektrischer Antriebe gibt es eine Vielzahl von Maschinentypen, die in Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Prof. Dr. Rik W. De Doncker und Timo Schoenen berichten über Reluktanzantriebe.

Bei Hybridfahrzeugen kommen derzeit meistens die permanenterregten Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten (IPMSM) zur Anwendung. Diese Maschinen zeichnen sich durch ihre hohe Drehmomentdichte und einen dadurch bedingten geringen Platzbedarf aus. Im Bereich reiner Elektrofahrzeuge steht für die elektrische Maschine mehr Bauraum zur Verfügung und es wird im Vergleich zu Hybridfahrzeugen eine höhere Dauerleistung benötigt, sodass hier die kostengünstigeren Asynchronmaschinen (ASM) oder geschalteten Reluktanzmaschinen (GRM) gut eingesetzt werden können. Dabei zeichnet sich die geschaltete Reluktanzmaschine durch einen einfachen und damit robusten Aufbau aus. Bei hohen Stückzahlen hat gerade diese Maschine das Potenzial, am kostengünstigsten zu sein, da weder Magneten noch Wicklungen auf dem Rotor benötigt werden. Eine bekannte Schwierigkeit dieses Maschinentyps ist die erhöhte Geräuschentwicklung im Vergleich zu anderen Maschinen. Durch konstruktive und regelungstechnische Maßnahmen lassen sich diese Geräusche minimieren. Da zurzeit die meisten Hybrid- und Elektrofahrzeuge im Hochpreissegment verkauft werden, steht der Komfort an erster Stelle. Wenn in Zukunft kostengünstige Fahrzeuge in großen Stückzahlen auf den Markt kommen sollen, dann spielen die Materialkosten eine entscheidende Rolle. Dabei zeichnet sich jetzt schon ab, dass die Nachfrage nach Magnetmaterial und damit die Kosten für die permanenterregte Synchronmaschine steigen werden.

Forschung am Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe

Am Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen wird seit über 35 Jahren an der Entwicklung von geschalteten Reluktanzmaschinen gearbeitet. Mittlerweile existieren Drehmomentregelverfahren, die den Einsatz einer geschalteten Reluktanzmaschine als Traktionsantrieb ermöglichen. Es ist z. B. notwendig, dass die Maschine ein gleichmäßiges Drehmoment bis in den Stillstand liefert. Durch lagegeberlose Regelverfahren ist es möglich, die Kosten weiter zu senken und die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten OKOFEH-Projektes (optimierte Komponenten für Elektro- und Hybridfahrzeuge) wurde ein geschalteter Reluktanzantrieb mit Umrichter als Traktionsantrieb entwickelt, aufgebaut und getestet. Der komplette Antriebsstrang, bestehend aus Umrichter, Maschine, Getriebe und Differenzial mit einer Spitzenleistung von 75 kW, ist in Abbildung 1 zu sehen. Sowohl die Maschine als auch der Umrichter sind wassergekühlt, um eine höhere Leistungsdichte als bei einem luftgekühlten System zu erreichen. Mit diesem Antriebsstrang konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, eine geschaltete Reluktanzmaschine als Traktionsantrieb einzusetzen. Die akustischen Herausforderungen waren bisher ausschlaggebend, dieses Antriebskonzept nicht weiter zu verfolgen. In einem Projekt, das durch die Deutsche Forschung Gesellschaft unterstützt wurde, wurden jedoch inzwischen Möglichkeiten aufgezeigt, die Akustik von geschalteten Reluktanzmaschine zu verbessern.

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