Nachhaltige Produktion von Leichtbau-Rotoren elektrischer Antriebe durch Einsatz flexibler Elemente (RoFlex)

Abstract

Um die Mobilität der Menschen auch in Zukunft sicherstellen zu können und gleichzeitig Ressourcen zu schonen sowie klimaschädliche Emissionen einzusparen, gewinnen die Themen Nachhaltigkeit und Leichtbau bei der Entwicklung und Produktion von Fahrzeugen mehr und mehr an Bedeutung. Dies betrifft den gesamten Fahrzeug-Lebenszyklus – von der Fertigung der Einzelkomponenten und des Gesamtfahrzeugs, über den Betrieb des Fahrzeugs bis hin zur Wiederverwendung der Komponenten und Werkstoffe am Fahrzeuglebensende im Rahmen von Recycling- und Wiederaufarbeitungsprozessen. Heutige Antriebe weisen jedoch im Hinblick auf Leichtbau- und Nachhaltigkeitsanforderungen deutliche Verbesserungspotenziale auf. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Roflex“ wurde daher durch den Einsatz der federnden Rotorkomponenten (i) flexible Rotorwelle, (ii) federnde Wuchtscheibe und (iii) federnde Magnetfixierung das Gewicht und die Nachhaltigkeit von Rotorbaugruppen für elektrische PKW-Traktionsantriebe und einen elektrischen Zweirad-Traktionsantrieb optimiert. Bei dem Anrieb für das Zweirad handelt es sich um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten. Bei den Antrieben für den PKW handelt es sich um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten (Fahrzeug-Vorderachse) und eine Asynchronmaschine (Fahrzeug-Hinterachse). Neben der Reduzierung der Rotormasse wurden die Montage- und Demontagefreundlichkeit der Rotorkomponenten und der Rotorbaugruppen verbessert. Dadurch sind Korrekturen während der Rotorfertigung sowie eine Wiederverwendung der Komponenten und Werkstoffe am Fahrzeuglebensende im Rahmen von Recycling- und Wiederaufarbeitungsprozessen besser umsetzbar. Für die permanentmagneterregte Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten wurde ein Serienantrieb eines batterieelektrischen PKWs der Kompaktklasse als Referenz verwendet. Die zu entwickelnden Rotorkomponenten wurden mit Hilfe von Finite Elemente Simulationen hinsichtlich Funktion, Montierbarkeit, Demontierbarkeit und Gewicht optimiert. Anschließend wurden ein Innovationsrotor, ein Leichtbaurotor und ein Referenzrotor prototypisch aufgebaut und dem Serienrotor in experimentellen Untersuchungen gegenübergestellt. Der Referenzrotor dient zum Vergleich zwischen dem Leichtbaurotor und dem Serienrotor – er wurde mit der gleichen Geometrie aufgebaut wie der Serienrotor, allerdings mit den Materialchargen, die auch für den Innovations- und Leichtbaurotor verwendet wurden. Wie bei der permanentmagneterregten Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten wurde auch für die Asynchronmaschine ein Serienantrieb als Referenz verwendet. Auch dieser Antrieb wurde mit Hilfe von Finite Elemente Simulationen hinsichtlich Funktion, Montierbarkeit, Demontierbarkeit und Gewicht optimiert. Darüber hinaus wurde ein Serienantrieb eines elektrifizierten Zweirades als Referenz für die permanentmagneterregte Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten herangezogen. Auch hier wurden die zu entwickelnden Rotorkomponenten simulationsgestützt hinsichtlich Funktion, Montierbarkeit und Demontierbarkeit optimiert. Darauf basierend wurden Rotoren mit federnden Komponenten prototypisch aufgebaut. Die Montage- und Demontagefreundlichkeit der entwickelten Rotorkomponenten wurde mit Hilfe einer Pilot-Fertigungslinie experimentell getestet, die im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelt und aufgebaut wurde. Zur Bewertung der Funktionserfüllung wurden Schleuder- und Motorentests mit den unterschiedlichen Rotoren durchgeführt. Der Motorenprüfstand und der Schleuderprüfstand wurden ebenfalls im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelt und aufgebaut. Darüber hinaus wurden Messsysteme entwickelt zur magnetischen Bewertung von Rotoren für permanentmagneterregte Synchronmaschinen sowie für Rotoren für Asynchronmaschinen. Damit können Produktionsfehler zeitnah entdeckt und ausgebessert werden, wodurch Ressourcen eingespart werden können. Die bei den Tests gewonnenen Daten wurden zur Generierung von digitalen Zwillingen genutzt, um eine Analyse zur Identifikation von Korrelationen zwischen Fertigung und Funktion der Rotoren zu ermöglichen. Außerdem stellen die gewonnenen Daten die Basis für eine Bewertung des Treibhausgasminderungspotenzials der entwickelten Lösungen dar.