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Elektromobilität

Keine Lagerausfälle mehr in Elektrofahrzeugen

| Redakteur: Stefanie Michel

Mit dem Forschungsprojekt „SYM-LStrom“ will die Hochschule Hannover Maßnahmen gegen Lagerausfälle durch Lagerstrom in Elektrofahrzeugen mit Synchronmaschinen entwickeln. Die Lösung soll, entgegen bisheriger Ansätze, für die Großserienfertigung geeignet sein.

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Ein Forschungsprojekt der Hochschule Hannover will darüf sorgen, dass defekte Lager durch Stromdurchgang in Elektrofahrzeugen der Vergangenheit angehören.
Ein Forschungsprojekt der Hochschule Hannover will darüf sorgen, dass defekte Lager durch Stromdurchgang in Elektrofahrzeugen der Vergangenheit angehören.
(Bild: Prof. Dr.-Ing. Carsten Fräger)

In den letzten Jahren wurde die Elektromobilität des Individualverkehrs bereits stark erforscht. Ungeachtet großer Fortschritte hat sich die KFZ-gebundene Elektromobilität bisher jedoch nicht durchgesetzt. Elektrofahrzeuge werden derzeit nur in kleinen Stückzahlen gefertigt und verkauft. Langfristig gesehen soll Elektromobilität die Ressourcen fossiler Brennstoffe schonen und den Ausstoß von Treibhausgasen reduzieren. Dies gelingt jedoch nur, wenn die Elektrofahrzeuge zuverlässig fahren und eine lange Lebensdauer aufweisen. Doch gerade bei der Zuverlässigkeit gibt es Probleme. Hierfür will das Forschungsprojekt „SYM-LStrom“ der Hochschule Hannover und des Kooperationspartners EM-Motive GmbH mit Sitz in Hildesheim eine Lösung erarbeiten.

Defektes Lager macht Elektromotor funktionslos

Schäden an einzelnen Bestandteilen der Elektrofahrantriebe, wie beispielsweise die Lager, sind häufig der Grund eines Defektes des gesamten Elektromotors. Fällt das Lager aus, dreht sich der Rotor nicht mehr und der Antrieb ist funktionslos. Die Lagerausfälle können durch sogenannte Lagerströme verursacht werden. Durch das Forschungsprojekt sollen kostengünstige und wirkungsvolle Maßnahmen gegen eben solche Lagerausfälle durch Lagerströme erarbeitet werden. Durch diese liefert das Projekt einen konkreten und wirkungsvollen Beitrag zur Energiewende im Verkehr durch bezahlbare Elektrofahrzeuge. Die Lösung soll, entgegen bisheriger Ansätze, für die Großserienfertigung geeignet sein.

Warum die Lagerschäden entstehen

Die Antriebstechnik für Elektrofahrzeuge baut vielfach auf Synchronmotoren mit Permanentmagneten auf. Zurzeit weisen diese die höchste Leistungsdichte auf. Alternativ kommen elektrisch erregte Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen zum Einsatz, die im Vergleich eine etwas geringere Leistungsdichte haben. In den Umrichtern der Antriebe kommen schnell schaltende Leistungshalbleiter zum Einsatz. Die Halbleiter zeichnen sich zum einen durch eine hohe elektrische Spannung und zum anderen durch sehr kurze Schaltzeiten aus. Sie versorgen die E-Maschine mit Spannungsimpulsen. Über Pulsmuster und Zeitdauer werden Spannung und Strom so eingestellt, dass das erforderliche Drehmoment im Motor- und Generatorbetrieb erzeugt wird.

Allerdings sorgen die Impulse auch für starke Ströme durch die Auf- und Umladung der Wicklungskapazitäten. Ein Teil dieser Ladeströme fließt durch die Lager der Elektromaschine. Sind die Spannungen an den Lagern so groß, dass die Isolierschicht aus dem Wälzlagerfett durchbricht, bilden die Entladeströme Funken im Lager. Diese führen wiederum zu einer Aufschmelzung der Laufbahnen und somit zu einem vorschnellen Verschleiß der Lager. Verstärkt wird dieser Effekt durch den Einsatz der neuen, besonders schnell schaltenden SiC-Halbleiter.

Bisherige Maßnahmen für Großserienanwendungen ungeeignet

Dieser Verschleiß ist bei aktuellen Antrieben für Elektrofahrzeuge im Labor bei EM-Motive beobachtet worden. Zur Vermeidung der Ausfälle in Fahrzeugen stehen zurzeit nur teure Maßnahmen zur Verfügung, die für Großserienanwendungen ungeeignet sind. In diesem Projekt soll die Lebensdauer bei der gleichzeitigen Belastung mit mechanischen Kräften und elektrischen Strömen in den Lagern behandelt werden. Es sollen kostengünstige und großserientaugliche Maßnahmen gegen Ausfälle der Lager durch eine kombinierte elektrische und mechanische Belastung der Lager erarbeitet werden.

Dafür will man innerhalb des Projektes Mechanismen der Lagerströme und die Wirkung in Synchronmaschinen auf den Lagerausfall genau erfassen und ein zuverlässiges Berechnungsmodell für die Vorhersage von Lagerschäden erstellen

Das Projekt läuft von März 2019 bis August 2021.

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