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Motoren für Elektroautos

Elektromotor-Entwicklung: in sechs Monaten bis zum Prototypen

| Redakteur: Bernhard Richter

In kürzester Zeit soll das Unternehmen GMN einen Auto-Elektromotor komplett neu entwickeln. Leicht soll er sein und für einen Fahrzyklus mit wechselnden Belastungen optimiert. Eine Herausforderung die nicht immer einfach war.

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In sechs Monaten hat GMN den Elektromotor für einen PKW von Grund auf neu konstruiert und anhand der Vorgaben des Auftraggebers optimiert
In sechs Monaten hat GMN den Elektromotor für einen PKW von Grund auf neu konstruiert und anhand der Vorgaben des Auftraggebers optimiert
(Bild: GMN)

Leicht muss er sein und natürlich effizient, am besten sowohl im zähen Stadtverkehr als auch bei Tempo 130 auf der Autobahn und einer Tour über kurvenreiche Landstraßen: Die Entwicklung eines systematisch optimierten PKW-Elektromotors ist eine Herausforderung, der sich der Nürnberger Maschinenbauer GMN gerne stellt. Dabei nutzt er seine langjährige Erfahrung im Highspeed-Spindelbau und ein mehrstufiges Verfahren mit selbst entwickelter Softwarelösung auf der Basis von Standardprogrammen. Das versetzt ihn in die Lage, innerhalb kurzer Zeit komplett neue Antriebe zu konstruieren – Anfang 2017 für einen Automobilkunden binnen sechs Monaten.

„Wichtig waren die Gewichtsreduzierung und die Optimierung auf einen Fahrzyklus des Herstellers, der später für die Ermittlung des Energieverbrauchs und die Zulassung des PKWs oder Nutzfahrzeugs relevant ist“, erzählt Joachim Schnüttgen, Technikleiter des GMN-Geschäftsfelds Elektrische Antriebe. „Statt auf Betriebsarten wie S1 bis S6 zu optimieren, hatten wir verschiedene Verkehrssituationen und Fahrstile zu bedenken. Das Ziel dabei war natürlich, dass der Motor über den kompletten Fahrzyklus hinweg möglichst energieeffizient arbeitet.“

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Bedarf genau ermitteln

Im Februar 2017 startete das Projekt mit einer zweiwöchigen Briefingphase. „Wir wollten von unserem Auftraggeber haargenau wissen, welche Anforderungen er an seinen Antrieb stellt – vom vorgegebenen Fahrzyklus und Effizienzwerten, über den Bauraum und das Maximalgewicht bis zu den übrigen Leistungsparametern“, berichtet Schnüttgen. Denn je klarer der Kundenbedarf zu Projektstart ist, desto geringer ist das Risiko, dass später aufwändige Korrekturschleifen nötig werden. Zudem optimiert GMN typischerweise auf mehrere Faktoren gleichzeitig – diese müssen zusammen mit dem Kunden ausgesucht und gewichtet werden.

Mit diesem Wissen im Gepäck gingen die Konstrukteure in den nächsten Arbeitsschritt. Innerhalb weniger Tage erzeugten sie mit dem Berechnungsverfahren „GMN Basic“ mehrere hundert Geometrievarianten, die den Rahmenbedingungen des Kunden entsprachen. Anschließend identifizierten sie die Top-Kandidaten.

„Wir setzen dabei auf ein mehrstufiges Modell“, erläutert der Technikleiter, „bei dem wir nach und nach immer genauer rechnen. So reduzieren wir die Auswahl schnell auf die Handvoll Alternativen, die am besten zum Anforderungsprofil des Kunden passt.“

Mehrstufiges Auswahlverfahren

In den darauffolgenden Wochen erstellten die Konstrukteure über analytische Rechenverfahren eine Variantenliste mit den zugehörigen technischen Daten und trafen auf Basis der Ergebnisse eine erste Vorauswahl.

„Durch diese Vorgehensweise konnten wir etwa einen Monat nach dem ersten Briefing bereits sehr konkrete Gespräche mit dem Kunden führen“, so Schnüttgen. „Wir zeigten ihm auf, wie sich seine Optimierungsvorgaben auf die Motorauslegung auswirken. Hätte er dann Änderungswünsche gehabt, wären wir mit unserer umfangreichen Variantenliste in der Lage gewesen, ihm umgehend passende Alternativen aufzuzeigen.“

Da der Auftraggeber keine Modifikationen wünschte, konnte das Team direkt zum nächsten Schritt übergehen. Während ein Teil der Konstrukteure die Dokumentationsarbeiten abschloss, arbeitete der Rest an den FEM-Berechnungen zu den Modellen, zu denen der Kunde sein „ok“ gegeben hatte. So lagen nach zwei weiteren Wochen detaillierte Daten vor, mit deren Hilfe sich der Auftraggeber für eine Motorversion entscheiden konnte.

Performance steigern

Diese optimierten die Konstrukteure anschließend aufwändig. Dabei überprüften sie, ob der per Modellrechnung erzeugte Antrieb technisch realisierbar ist und ob sich die Performance über die Verbesserung von Kleinigkeiten noch steigern lässt. „Uns geht es stets darum, den bestmöglichen Antrieb zu fertigen“, sagt Schnüttgen.

Die anschließende Konstruktion von Detaillösungen, zum Beispiel zur Lagerung und zum mechanischen und elektrischen Anschluss, dauerte noch einmal gut fünf Wochen. Währenddessen bestellte GMN bereits erste Teile für den Prototypen. Wichtige Komponenten wie Welle und Gehäuse fertigt der Nürnberger Maschinenbauer selber, andere Teile werden über eine erprobte Lieferkette bezogen. Die komplette Produktion der Motoren inhouse ist ein mittelfristiges Ziel des noch jungen Geschäftsbereiches Elektromotoren.

GMN ist in der Lage, in sechs Monaten einen Elektromotor für die Automobilbranche zu entwickeln
GMN ist in der Lage, in sechs Monaten einen Elektromotor für die Automobilbranche zu entwickeln
(Bild: GMN)

Pünktlich zum Ende der Konstruktionsarbeiten war alles für die Prototypenfertigung bereit. Etwa fünf Wochen dauerte diese, inklusive einer Risikoabschätzung und einer ausführlichen Erprobung am Schluss. „Bei uns geht kein Motor aus dem Haus, ohne auf Herz und Nieren geprüft worden zu sein“, betont der Technikleiter. Oftmals führt GMN zudem eine kundenspezifische Leistungsevaluierung für jeden Punkt durch. In diesem Fall übernahm der Kunde die Aufgabe selbst. Im August 2017 wurde der Motor ausgeliefert – eine komplette Neuentwicklung, die im Laufe von nur sechs Monaten entstanden war.

Physik lässt sich nicht austricksen

Für den leichten Motor bezahlt der Anwender allerdings mit schlechteren thermischen Eigenschaften. Die erhöhte Verlustwärme kann beispielsweise durch eine leistungsfähige Wasserkühlung beherrscht werden. Da unter Umständen noch weitere Nachteile auftreten können, ist eine enge Abstimmung zwischen Auftraggeber und Entwicklern unerlässlich. Dem Kunden muss deutlich gemacht werden, was technisch möglich ist und wie sich die einzelnen Kriterien gegenseitig beeinflussen. Erst dann sollte es um die Frage gehen, welches die zentralen Optimierungsfaktoren sind.

„Schnell konstruieren heißt, enger Kontakt zum Auftraggeber und rasch erste Ergebnisse vorzeigen. Je eher sich der Kunde ein Bild vom Motor machen kann, desto leichter können Änderungen gemacht werden“, erklärt Schnüttgen.

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