Serienfähige, hocheffiziente Radnabenmotoren mit integrierter Leistungselektronik (SeRiel)

Problemstellung
Die Entwicklung der Elektromobilität bietet durch den Einsatz von Radnabenmotoren (RNM) die Möglichkeit, komplett neue Fahrzeugkonzepte zu realisieren, da durch den Wegfall des Bauraums für den Antriebsstrang eines Zentralmotors viele Beschränkungen bei der Gesamtgestaltung eines Automobils entfallen. Darüber hinaus bieten Radnabenantriebe ein hohes Potential zur Leichtbau- und Funktionsintegration sowie zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Antriebsstrangs, da Reibungsverluste aufgrund des getriebelosen Antriebs minimiert werden können, welches für den Bau leichterer und effizienterer Fahrzeuge genutzt werden kann. Bisher sind allerdings keine Radnabenmotoren verfügbar, die die Anforderungen der Automobilhersteller hinsichtlich Zuverlässigkeit, Robustheit, Ausfallsicherheit sowie Leistungs- und Drehmomentdichte bei gleichzeitiger Möglichkeit einer kostengünstigen Großserienfertigung erfüllen.
Projektziele und Vorgehensweise
Ziel des Projektes war die Entwicklung und Erprobung eines serienfähigen Radnabenmotors mit den entsprechenden Fertigungsmethoden für den Einsatz in Personenkraftfahrzeugen. Schwerpunkte bei dieser Entwicklung war die Maximierung der Drehmoment- und Leistungsdichte (Drehmoment von 1300 Nm und eine Leistung von 80 kW bei einem Gewicht von unter 60 kg) sowie die Sicherstellung der Zuverlässigkeit des Antriebs bei den im Rad gegebenen Umgebungsbedingungen und die serientaugliche Fertigung der Einzelkomponenten des Motors. Zwar standen am Projektanfang noch die vorgenannten technischen Weiterentwicklungen an, doch lag der Schwerpunkt des Projektes auf der Erarbeitung von Serienproduktionsprozesses oder zumindest deren Konzeptes. Dies erfolgte in folgenden Projektschritten: Es wurden alle Motorkomponenten und -materialien hinsichtlich kostengünstiger, automatisierbarer Herstellbarkeit, schneller Montagefähigkeit (beides auch unter Aspekten der Prozesssicherheit, damit in der Serienfertigung keine Qualitätsprobleme auftreten können) und Bezugsfähigkeit/Verfügbarkeit; gegebenenfalls Anpassung der Konstruktion des Motors und/oder der einzelnen Komponenten geprüft. Über die Simulation der einzelnen Komponenten wurde die Einhaltung der Anforderungen überwacht und entsprechende Verbesserungen des Konzeptes erarbeitet. In einem weiteren Schritt wurden die entsprechenden Produktions-, Handlings- und Prüfmittel ausgewählt sowie die zu prüfenden bzw. prüfbaren Qualitätsmerkmale, Arrangement für optimale Produktions-, Bearbeitungs-, Material-, Montage-, Prüf- und Dokumentationflüsse und EOL-Prüfung ausgewählt. Die eigentliche Prüfung der Fertigungsschritte erfolgte anhand realer, möglichst seriennaher Muster auf Machbarkeit, Wiederholbarkeit und die funktionellen sowie qualitativen Eigenschaften. Der Test der Funktionsfähigkeit erfolgte über die Durchführung eines Testprogramms für die einzelnen Komponenten auf den Prüfständen der Projektpartner. Die Integration des Radnabenmotors in ein Fahrzeug sowie ein Teil des Testprogrammes stehen noch aus.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass basierend auf den grundsätzlichen Vorentwicklungen ein Radnabenmotor so weiterentwickelt werden konnte, dass dieser in serienfähigen Fertigungsverfahren hergestellt werden kann. Die beteiligten Partner haben dabei ihre Erfahrungen aus den jeweiligen Bereichen (Leistungselektronik, Gießen von Gehäusen, Wicklung und Motoraufbau, Lagerherstellung, Abdichtung) so eingebracht, dass ein Gesamtsystem aus in Großserie eingesetzten oder serientauglichen Verfahren gefertigten Einzelkomponenten erstellt wurde, dass den automobilen Anforderungen des eines OEMs (AUDI) genügt. Dabei fanden sowohl Fertigungsaspekte als auch funktionale Kriterien Berücksichtigung, die sich aus dem Serieneinsatz ergeben (z.B. Ausfallsicherheit, Schutz gen Umwelteinflüsse, hoher Wirkungsgrad). Es wurde gezeigt, dass es machbar ist, ein bis dato nicht Serie hergestelltes Antriebssystem aus in Serie fertigbaren Einzelkomponenten aufzubauen und dessen Funktion nachzuweisen. Damit ist es gelungen, den Radnabenmotor als Direktantrieb dem Einsatz an einem Serienelektrofahrzeug einen entscheidenden Schritt voranzubringen. Mit der Entwicklung eines serienfähigen Radnabenmotors besteht erstmals die Chance auf einen Serieneinsatz von Radnabenmotoren im PKW Bereich. Die Chancen auf eine spätere Serienanwendung werden noch zusätzlich erhöht, da der Radnabenmotor, der in diesem Projekt entwickelt wurde, von den Leistungsdaten auf das Premiumsegment zielt (im Gegensatz zu vielen anderen entwickelten Prototypen). Dies ist nur möglich, da der Radnabenmotor eine bisher unerreichte Leistungsdichte durch Miniaturisierung der Baugruppen und Effizienz erreicht. Ein solcher Radnabenmotor eröffnet den beteiligten Firmen ganz neue Geschäftsfelder und Produkte. So ist z.B. die Firma Heinzmann mit ihren Radnabenmotoren bisher nicht im PKW Sektor vertreten. Auf der anderen Seite konzentrierte sich das Projektkonsortium neben der eigentlichen Radnabenmotorentwicklung vor allem auf die Entwicklung der notwendigen, innovativen Produktions- und Fertigungsmethoden, ohne die eine Radnabenmotorproduktion im PKW Bereich nicht wirtschaftlich darstellbar ist. Diese innovativen Produktionsmethoden wie z.B. Diamant-Roll-Glätten (Prozessintegriertes Verfahren, Verkürzung von Prozessketten) oder verbesserte Gießverfahren (Leichtbau) lassen sich auch auf viele andere Bereiche übertragen. Durch die Abdeckung der gesamten Wertschöpfungskette von Zulieferern (jedes Bauteil des Radnabenmotors wird durch eine Firma verantwortlich vertreten) bis hin zum PKW Hersteller ist eine hohe Wertschöpfung und Umsetzungswahrscheinlichkeit sicher gestellt.

• AUDI AG
• AVL Software and Functions GmbH
• CEROBEAR GmbH
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG
• Heinzmann GmbH & Co. KG
• KSM Castings Group GmbH
• ScienLab electronic systems GmbH