Antriebstechnik Dezentrale EC-Motoren im Automobil arbeiten sicher und effektiv

Autor / Redakteur: Andreas Zeiff & Dietrich Homburg * / Stefanie Michel

Obwohl schon heute dezentrale Steuergeräte verschiedenartige Funktionen im Fahrzeug regeln, kommt die Antriebsenergie für den gesteuerten Einsatz noch immer aus Zusatzaggregaten, die mit dem Motor mechanisch gekoppelt sind. Hier steckt ein enormes Entwicklungs- und Einsparungspotential, das jedoch zunehmend genutzt wird.

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Beim ersten Verbrennungsmotor setzte der Erfinder mangels Alternativen noch auf eine starre Kopplung von Kurbel- und Nockenwelle. Diese einfache aber unflexible Lösung übernahmen später viele Ingenieure für den Antrieb von zahllosen Neben- und Zusatzaggregaten. Im Laufe der Zeit wurde so der Zahnräder-Ketten-Riementrum am Motor immer aufwändiger.

Abhilfe konnte hier erst der Einsatz moderner dezentraler Antriebe schaffen. Denn elektronisch gesteuert können EC-Motoren vielfältige Sicherheits- und Zusatzfunktionen im KFZ antreiben. Platzprobleme und aufwändige Inspektionen von Riemen und Spannrollen entfallen. Der kompakte Antrieb vor Ort ist Platz sparend und wartungsarm. Auch der Motorenhersteller ebm-papst aus St. Georgen ist an dieser Entwicklung beteiligt. Mit den neuen Konzepten des Unternehmens im Kleinantriebsbereich eröffnet sich für dezentrale Antriebe ein weites Einsatzspektrum im Fahrzeugbereich.

EC-Motor ist regelbar in allen Drehzalbereichen

Die mechanische Kopplung zum Hauptmotor hat immer zwei entscheidende Nachteile: Zum einen variiert die Drehzahl des Verbrennungsmotors und damit sein Leistungsvermögen, zum andern divergieren oft die Leistung des Antriebs und die Leistungsnachfrage der Aggregate. Deshalb ist eine mechanische Kopplung energetisch ineffektiv. Weil beispielsweise Systeme wie Kühlflüssigkeits- oder Servopumpe dank starrer Kopplung vom ersten Augenblick einer Fahrzeugbewegung an auf ihr Leistungsmaximum hochgefahren werden, sind sie in der Energiebilanz sehr ineffizient. Geht man dagegen zu elektronisch gesteuerten EC-Motoren als Kraftquelle über, so entkoppelt sich das Leistungsangebot des Motors und die Leistungsnachfrage der Aggregate. Bei EC-Antrieben bleiben als einzige mechanische Verschleißkomponente die Lager. Mehrere zigtausend wartungsfreie Betriebsstunden unter Volllast sind heute Standard – denn ein EC-Motor hält ein Autoleben lang. Die Antriebe lassen sich feinfühlig in allen Last- und Drehzahlbereichen regeln. So ist ein Vier-Quadrantenbetrieb, also Beschleunigen oder Bremsen in beide Drehrichtungen problemlos möglich.

In den gehobenen Fahrzeugklassen konnten einige Anfänge der Dezentralisierung schon verwirklicht werden. Bereits Serie ist eine Lenkunterstützung per Elektromotor und Überlagerungsgetriebe, ebenso Servolenkungen mit Elektromotor statt Hydraulik. Gerade bei der Lenkhilfe ist der Antriebsmotor extrem gefordert. Über die gesamte Lebensdauer sind wechselnde Drehzahlen zwischen 0 und 6000 U/min durchzustehen. Feinfühliger, fast als schrittmotorartig zu bezeichnender Einsatz, wie auch schneller Wechsel zum dynamischen Hochlauf sind gefragt. Der Motor wird dabei ständig im Vier-Quadrantenbetrieb belastet.

EC-Motoren als Schnittstelle zwischen Mechanik und Elektronik

Dank Miniaturisierung der Elektronik und neuer, hochenergetischer Magnetwerkstoffe lassen sich die dezentralen Antriebe für nahezu jeden Einsatz maßschneidern. Schock- und Vibrationsbelastungen bis über 10 g dauerhaft standzuhalten und ein weiter Temperaturbereich von -40 bis +120 °C, Temperaturschock sowie hohe chemische wie mechanische Resistenz sind selbstverständlich. Weitere wichtige Aufgaben übernimmt die integrierte elektronische Motoransteuerung, nicht nur mit der Drehmoment- oder Drehzahlkontrolle sondern auch mit einen Fehlermeldeausgang oder dem Anbinden des Antriebs in das Bussystem des Fahrzeuges. Kompakte Innen- oder Außenläufermotoren erlauben zudem das optimale Anpassen des Aktors an die individuelle Antriebstechnik.

Heutige EC-Antriebsmotoren werden in Zukunft die Schnittstelle zwischen flexibler Elektronik und relativ starrer mechanischer Peripherie sein. Auch können sie sich als intelligente Antriebe selbst überwachen, Sicherheitsfunktionen übernehmen und damit dem Fahrzeugmanagement völlig neue Regelungsmöglichkeiten eröffnen.

* Dipl. Chem. Andreas Zeiff & Dipl.-Ing. (FH) Dietrich Homburg sind Mitarbeiter im Redaktionsbüro Stutensee

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