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Elektrische Antriebe in hybriden und vollelektrischen Fahrzeugen

Elektrische Antriebe in hybriden und vollelektrischen Fahrzeugen
Autor:

Martin Doppelbauer 

Quelle:

Handbuch Elektromobilität 2012, EW Medien und Kongresse GmbH, ISBN 978-3-8022-1061-7, pp. 121-151 

Obwohl elektrische Maschinen seit über 100 Jahren für industrielle Anwendungen gebaut und kontinuierlich verbessert werden, stellt der elektrische Antriebsstrang von hybriden und vollelektrischen Fahrzeugen die Maschinenentwickler vor neue Herausforderungen.

Die Anforderungen an Leistungsdichte und Drehmoment-/Drehzahlverhalten, insbesondere bezüglich Höchstdrehzahl und breiter Nutzung des Feldschwächbereichs, waren bisher unbekannt. Die Energieversorgung (Batterie, Leistungselektronik) bekommt einen entscheidenden Einfluss auf die Maschinenauslegung. Letztlich muss das gesamte Antriebssystem interdisziplinär entwickelt und optimiert werden. Damit ergibt sich mittelfristig auch eine Chance für wenig bekannte, neuartige Elektromaschinen-Konzepte.

Je nach Hybridisierungsgrad unterscheiden sich die Anforderungen an den elektromechanischen Antriebsstrang in Elektroautos erheblich. Eine gute Klassifizierung bietet die Unterteilung in getriebeintegrierte Elektromaschinen (GEM), welche unterstützend zum Verbrennungsmotor wirken und in Traktions-Elektromaschinen (TEM), die alleine den Vortrieb übernehmen können.

Auch bei TEM werden Getriebe eingesetzt, meist  sind diese aber mit einer festen Untersetzung ausgestattet, d.h. nicht schaltbar. Es gibt umfangreiche Untersuchungen darüber, ob schaltbare Getriebe die Effizienz (Wirkungsgrad, Baugröße, Gewicht, Kosten) von Antriebssystemen mit TEMs verbessern können. Auch diese Überlegungen gehen jedoch von relativ einfachen Getrieben mit wenigen (meist zwei) Schaltstufen aus. 

Im Folgenden werden zunächst die technischen Anforderungen an Getriebeintegrierte- und an Traktions-Elektromaschinen vorgestellt und daraus dann geeignete elektromagnetische Konzepte für E-Motoren abgeleitet.

Vereinzelt können Tendenzen beobachtet werden, die elektrische Maschine direkt mit der Radachse zu koppeln, das Getriebe also ganz wegzulassen. Auf die technischen Implikationen dieser Konstruktion wird separat eingegangen.