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ZF Hairpin-Technologie



kfz-tech.de/Ye246

Spätestens mit dem Erscheinen des Reluktanz-Motors hätte man doch denken können, die Entwicklung des Elektromotors für E-Fahrzeuge sei an einen längerfristigen Endpunkt gelangt. Und doch belehrt man uns bei der Zahnradfabrik Friedrichshafen eines Besseren.

Das Grundproblem ist klar. Da gibt es ein Teil im Innern, den Rotor, das soll sich mit Hilfe von elektrischer Energie drehen. Dazu muss ein gewisser Magnetismus vorhanden sein, der sich an dem im Gehäuse erzeugten Magnetismus abstützt, von diesem sozusagen vorangetrieben wird.

Früher hat man nur mit Elektromagneten gearbeitet, innen wie außen. D.h. der Motor bestand sowohl im Rotor als auch im Stator nur aus leicht magnetisierbarem Material mit Wicklungen, die von Strom durchflossen waren, beide elektrisch getrennt voneinander.

Ein Bauteil, das von sich aus magnetisch war, gab es weder innen noch außen. Jetzt kommt das Problem: Beschaltet man beide Teile mit Strom, dann macht der Rotor bestenfalls einen Ruck und bleibt dann stehen, notfalls für immer.

Damit er weitermacht, muss sich etwas ändern. Dazu gab es früher einen sogenannten Kommutator. Der bestand am Ende des Rotors kurz vor dem Lager aus einem mehrfach elektrisch geteilten Schleifring, auf den z.B. zwei Kohlebürsten mit Federkraft gedrückt wurden.

So konnte der in den Rotor geleitete Strom je nach dessen Stellung immer so geführt werden, dass die elektromagnetische Anziehung immer von einem E-Magneten zum anderen weitergegeben wurde, also niemals aufhörte, solange Strom zum Rotor und zum Stator floss.

Die Stelle mit der Reibung der Kohlebürsten auf dem geteilten Kupferring war natürlich eine potentielle Verschleißstelle. Diese wollte man loswerden. Und genau das war der Startpunkt für den Synchronmotor. Kein Kommutator mehr, sondern nur noch Dauermagneten im Rotor.

Die Bewegung wurde jetzt durch wechselndes Ansteuern von E-Magneten im Rotor erzeugt. Man könnte denken, das Problem sei damit gelöst. Als nachteilig stellte sich jedoch der Magnet im Innern heraus. Am besten war der aus einem Material gefertigt, das zu den Seltenen Erden gehört.

Außerdem gibt es Probleme, wenn der Motor stromlos ist und von einem anderen Motor z.B. an einer anderen Achse angetrieben wird. Dann wird hier Strom erzeugt, vielleicht sogar noch mit einer Erwärmung, jedenfalls total unerwünscht. Dann wird zusätzlich zum Fahrzeug noch ein eigentlich stillgelegter Motor angetrieben.

Ja, es gibt auch dazu Lösungen: Ein Kupferkäfig wird in den Rotor ohne Magneten und damit Seltene Erden hineinkonstruiert und durch eine Art Induktion vom Gehäuse aus magnetisiert. Der Stator bleibt ansonsten, wie er ist.

Eine andere Konstruktion, der Reluktanz-Motor, versucht, den Magnetismus durch eine besondere Formgebung der Metalle im Rotor genau an die Stellen zu bringen, wo er für den Wirkungsgrad am besten ist. Tesla fügt aber trotzdem noch kleine Magneten ein.

Und jetzt kommt der hauptsächliche Technologiesprung von ZF. Dort geht man zurück auf den E-Motor mit Kommutator. Man bringt also von außen Strom in den Rotor, der dadurch keinerlei Magneten braucht, und zwar genau an die richtigen Stellen.

Und wie vermeidet man bei ZF die Reibung und den Verschleiß am Kommutator und gewinnt auch noch an Baulänge? Indem man dort auf das Prinzip der Induktion setzt. Keine Reibung von Kohlebürsten, sondern eine Art Fühler, dessen eine Seite innerhalb und die andere außerhalb eng an dem ehemaligen Schleifring vorbeistreifen.

Also keine Berührung oder Reibung und trotzdem eine Übertragung von Strom auf ein drehendes Teil. Was durch die Induktion vielleicht verloren geht, wird durch die fehlende Reibung gewonnen. Keine Seltenen Erden nötig, geopolitisch unbedenklich, weil die Rohprodukte auf kürzeren Wegen zu beschaffen sind.

Erste Anwendung im Lotus Eletre.








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