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Transversalflussmaschine

als Direktantrieb in der Elektromobilität

Die Elektrifizierung von Fahrzeugen bietet viele Vorteile im Vergleich zu einem Antriebsstrang mit Verbrennungsmotor. Neue Entwicklungen im Bereich der elektrischen Maschinen und der Halbleitertechnik ermöglichen neue elektrische Antriebskonzepte. Diese erlauben den effizienten und hochdynamischen Einsatz von elektrischen Maschinen, wodurch eine stufenlose Kraftübertragung über den gesamten Drehzahlbereich und zudem kurzzeitige Überlastungen ermöglicht werden. Als Hauptantrieb wird in einem solchen Antriebsstrang häufig eine einzelne elektrische Maschine mit einer festen mechanischen Verbindung zu den Rädern eingesetzt. Dabei wird die hohe Drehmomentanforderung an den Rädern durch eine hohe Übersetzung über ein Getriebe und ein Differenzial erreicht. Durch Aufteilung des Hauptantriebs auf mehrere elektrische Maschinen ergibt sich eine Vielzahl an Antriebstopologien.

Einen großen Vorteil hinsichtlich der Flexibilität im Aufbau der Karosserie besitzen die Radnaben- und radnahen Antriebe, da die Räder nicht mehr mechanisch miteinander verbunden sein müssen. Aufgrund der mechanischen Entkopplung der Räder kann hierbei eine Rad-Boden-Schlupfregelung (Torque-Vectoring) realisiert werden. Durch die Verwendung von drehmomentstarken elektrischen Maschinen (High-Torque-Maschinen) können zusätzlich Getriebestufen eingespart werden.

Die Drehmomentdichte in einer elektrischen Maschine kann erhöht werden indem entweder die magnetische Feldstärke im Luftspalt oder deren Änderung über die Rotorposition (Erhöhung der Polzahl) vergrößert wird. Beide Möglichkeiten sind durch das verwendete weichmagnetische Material und durch die Luftspaltlänge zwischen Stator und Rotor limitiert. Die Erhöhung der Polzahl ist bei konventionellen elektrischen Maschinen aufgrund des Zielkonflikts zwischen der Maximierung der Kupfer- und der Eisenquerschnittsfläche limitiert.

Die Transversalflussmsachine (TFM) löst diesen Zielkonflikt, indem sie die Maximierung der Kupfer- und der Eisenquerschnittsfläche voneinander entkoppelt. Damit kann die Polzahl weiter erhöht werden bis das weichmagnetische Material und die Luftspaltlänge wieder limitierend sind. Daraus folgt jedoch eine zusätzliche magnetische Flusskomponente, die transversal bezogen auf die Bewegungsrichtung verläuft, wovon sich der Name der TFM ableitet. Durch die Flusskomponenten in radialer Richtung und in Drehrichtung ergibt sich daraus eine dreidimensionale magnetische Flussführung in der TFM. Die deutliche Erhöhung der Polzahl in der TFM führt zum einen zu einer linearen Erhöhung der Statorfrequenz, was wiederum zu einer Erhöhung der Hysterese- und Wirbelstromverluste führt. Zum anderen vergrößert sich mit der Polzahl die Induktivität, was wiederum den Blindleistungsbedarf erhöht beziehungsweise den Leistungsfaktor verringert. Daraus lässt sich ableiten, dass eine TFM für den Einsatz in Anwendungen mit hohen Drehmoment- und niedrigen Drehzahlanforderungen geeignet ist.

Neben der Möglichkeit der Erhöhung der Polzahl führt die TFM zusätzlich zu fertigungstechnischen Vorteilen in der Herstellung der Wicklung, jedoch zu erheblichen Herausforderungen in der Realisierung der dreidimensionalen magnetischen Flussführung. Durch die magnetischen Wechselfelder werden Spannungen im weichmagnetischen Material induziert, die Wirbelströme orthogonal zur Feldänderung hervorrufen. Um die Wirbelströme zu reduzieren, muss die dreidimensionale magnetische Flussführung mittels Pulververbundwerkstoff (Soft Magnetic Composite) oder mehreren zueinander isolierten Blechpaketen aufwendig realisiert werden.

Zusätzlich sind die einzelnen Stränge der TFM im Vergleich zu einer herkömmlichen elektrischen Maschinen mechanisch und teilweise magnetisch voneinander entkoppelt. Zur Erzeugung eines konstanten Gesamtdrehmoments müssen die einzelnen Stränge zueinander in Drehrichtung versetzt werden. Kleinste Abweichungen hierbei führen aufgrund der hohen Polzahl zu einem großen Rastmoment und zu Geräuschen. Darüber hinaus begünstigt die Topologie einer TFM im weichmagnetischen Teil partielle Sättigungseffekte. Die zwei genannten Gründe führen maßgeblich zu regelungstechnischen Herausforderungen im Betrieb der TFM.

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Institut für Elektrische Energiewandlung