Elektromotoren Mit neuem Kühlkonzept auf den Prüfstand

Redakteur: Karin Pfeiffer

Neue Prüfsysteme sind gefragt, wenn E-Mobilität künftig das Straßenbild bestimmen soll. Um die neue Vielfalt an Elektromotoren zu testen, haben ATE und GTW den Prüfstandmotor Rigbe entwickelt, der aufgrund seiner Kühlung kompakter ist als bislang üblich.

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Prüfstandmotor für Elektromotoren: Ein neuartges Kühlungskonzept erlaubt die kompaktere Konstruktion.
Prüfstandmotor für Elektromotoren: Ein neuartges Kühlungskonzept erlaubt die kompaktere Konstruktion.
(Bild: ATE)

Den CO2-Ausstoß mindern, das bedeutet im Transportbereich zunehmend die Abkehr von Verbrennungskraftmaschinen hin zu Elektrofahrzeugen. Dabei ist die Frage nach der besten Energiequelle noch immer ungeklärt. Doch ungeachtet dessen: Elektromotoren werden mehr und mehr unsere Fortbewegung bestimmen – in unterschiedlichsten Varianten.

Bei Elektromotoren für Fahrzeuge erlebt der Markt derzeit einen massiven Entwicklungsschub in puncto Drehzahl und Leistung, heißt es bei der Leutkircher Firma ATE. Das betrifft Synchron-, Asynchron- und Reluktanzmotoren, Hybride für Kleinwagen, Sportwagen aber auch Lkws. Und das gesamte Spektrum, Highend-Getriebe inklusive, muss auf den Prüfstand, bevor die Motoren in Fahrzeuge verbaut werden können.

Prüfstandmotor für Elektromotoren: Ein neuartges Kühlungskonzept erlaubt die kompaktere Konstruktion.
Prüfstandmotor für Elektromotoren: Ein neuartges Kühlungskonzept erlaubt die kompaktere Konstruktion.
(Bild: ATE)

Um den Prüfanforderungen gerecht zu werden, benötigt die Industrie geeignete Prüfstandmotoren, und zwar mit Drehzahlen bis zu 27.000 min-1, Leistungen von 600 kW und Drehmomenten von 530 Nm. Für dieses Anforderungsprofil haben ATE und GTW gemeinsam das neuartige Motorkonzept Rigbe entwickelt. Von ATE kommt das Kühlungskonzept, GTW hat die Lagerung für die niedrige Schwinggeschwindigkeit entwickelt. Umsetzung und konstruktive Ausführung haben beide Unternehmen gemeinsam erarbeitet. Der Name setzt sich übrigens zusammen aus dem englischen Begriff Test Rig für Prüfstand und „be" (sein).

Die Leistungsdaten der Rigbe-Standardversion kurz skizziert:

  • Max. Drehzahl: 27000 min-1
  • S1-Leistung: 600 kW
  • S1-Moment: 530 Nm
  • Laufgenauigkeit: ≤ 2 µm
  • Schwinggeschwindigkeit: ≤ 0,5 mm/s

In solchen Leistungsdaten bei sehr hohen Drehzahlen stecken neue technologische Ansätze beim Aufbau der Motorelemente, der Kühlung und insbesondere der Lagerung. Stator und Rotor des Rigbe haben die Entwickler mit modernen Berechnungsverfahren und auf der Grundlage zahlreicher praktischer Untersuchungen ausgelegt sowie aus hochwertigen Werkstoffen aufgebaut. Damit lassen sich die Verluste in den Motorelementen minimieren.

Beim Rigbe sollen die Lagertemperaturen selbst bei 27.000 min-1 nicht die 50°C-Marke überschreiten.
Beim Rigbe sollen die Lagertemperaturen selbst bei 27.000 min-1 nicht die 50°C-Marke überschreiten.
(Bild: ATE)

Selbst bei Wirkungsgraden von weit über 90 Prozent muss die entstehende Abwärme aus dem Motor abgeführt werden. Dies erfolgt beim Rigbe durch ein neuartiges Kühlungskonzept. Damit lassen sich unter allen Betriebsbedingungen die Temperaturen in den Motorelementen auf unter 120 °C begrenzen. Die Lagertemperaturen überschreiten auch bei 27.000 min-1 niemals die 50°C-Marke, heißt es bei ATE.

Axiale und radiale Laufgenauigkeit

Die Lagerung des Rigbe hat GTW auf die Anforderungen von Prüfstand-Applikationen zugeschnitten. Mit axialen und radialen Laufgenauigkeiten von unter 2 µm will ATE ebenso Maßstäbe setzen wie mit Schwinggeschwindigkeiten von weniger als 0,5 mm/s über den gesamten Drehzahlbereich. Damit gehören für die Leutkircher nicht nutzbare Drehzahlbereiche ebenso wie Schwinggeschwindigkeiten von über 1 mm/s der Vergangenheit an.

Mit den niedrigen Schwinggeschwindigkeiten über den gesamten Drehzahlbereich seien Messungen, selbst an sehr kritischen Prüflingen, ohne mechanische Störungen möglich. Durch die hohe Steifigkeit und die Tragfähigkeit der Lagerung können Drehmoment-Messwellen, Kupplungen sowie Koppelelemente meist direkt appliziert werden. Wie Untersuchungen ATE zufolge zudem gezeigt haben, realisieren niedrige Schwinggeschwindigkeiten, bedingt durch eine optimale Lagerung, eine lange Gebrauchsdauern unter allen Betriebs- und Belastungsbedingungen.

Die Entwickler haben Untersuchungen an unterschiedlichen Umrichtern durchgeführt: Die volle Leistungsfähigkeit erreichen die Prüfstandmotoren an Multilevel-Umrichtern.

Rigbes sollen sich aufgrund ihrer geringen Abmessungen und einfachen Schnittstellenstruktur problemlos in Prüfstände integrieren lassen. Die Entwickler haben Untersuchungen an unterschiedlichen Umrichtern durchgeführt. Die volle Leistungsfähigkeit erreichen die Prüfstandmotoren Rigbe an Multilevel-Umrichtern.

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