Methodische Konstruktion elektrischer Radnabenmotoren für Fahrzeuge

Produktbeschreibung

Mit elektrischen Radnabenmotoren kann ein Beitrag zur Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen und Kleinstfahrzeugen geleistet werden. In dieser Arbeit wird das methodische Konstruieren nach Pahl und Beitz angewandt, um neuartige Varianten von getriebelosen Radnabenmotoren zu erschaffen. Es sind permanenterregte Außenläufer-Synchronmaschinen mit Luftspaltwicklung.
Ein Schwerpunkt ist der konzeptionelle und gestalterische Leichtbau. Weiterhin wird eine hohe Leistungsdichte durch einen möglichst geringen Luftspalt trotz radlastbedingter Deformation angestrebt. Eine geringe Verengung des Luftspalts wird durch eine sehr steife Radlagerung oder eine Ausgleichskupplung zwischen der Lagerung des Rades und des Rotors erzielt. Die Motorentwürfe unterscheiden sich hauptsächlich in der Radlagerung, der Bremse und der Radanbindung. Es folgen Messungen zur Reibung, Erwärmung und Leistung an den wasser- und luftgekühlten Prototypen.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort …………………….III
Inhaltsverzeichnis ……………………………… V
Formelzeichenverzeichnis …………………………. IX
Abkürzungsverzeichnis…………………….. XIV
Kurzfassung …………………………………. XVII
Abstract ………………………………………. XVIII
1 Einleitung ………………………….. 1
1.1 Problemstellung ……………… 1
1.2 Entwicklungsziele und Vorgehensweise ……………………….. 2
2 Stand der Technik ……………………. 5
2.1 Einsatz und Verbreitung von Radnabenmotoren …………………. 5
2.2 Vergleichskriterien für Radnabenmotoren …………….. 8
2.3 Vorstellung von Radnabenmotoren ………….. 8
2.4 Vergleich elektrischer Radnabenmotoren ……………..24
3 Bestandteile eines Radnabenmotors ……………….26
3.1 Elektroantriebe ……………………………….26
3.1.1 Gestaltelemente einer elektrischen Maschine ……………….26
3.1.2 Elektrische Maschinenprinzipien …………………..28
3.1.3 Grundlagen der Luftspaltwicklung ……………….30
3.1.4 Angewandte Werkstoffe der Elektrotechnik ………………..32
3.1.5 Zuverlässigkeit der elektrischen Bauteile…………32
3.1.6 Erkennung von Luftspaltverengung ……….33
3.1.7 Gegenmaßnahmen bei Ausfall der elektrisch aktiven Einheit ……34
3.2 Wälzlager …………………………..34
3.2.1 Wälzlagertypen ……………..34
3.2.2 Radlager …………………36
3.2.3 Nachgiebigkeit……………………….38
3.2.4 Tragfähigkeit …………………39
3.2.5 Ermüdungslebensdauer ……………………40
3.2.6 Schädigende Einflüsse für Wälzlager in Radnabenmotoren …………….41
3.2.7 Reibung……………………………42
3.2.8 Dynamische Dichtungen ……………………..43
3.2.9 Elemente zur starren axialen Festlegung ……………………..44
3.3 Maschinenelemente zur Drehmomentübertragung ……………………45
3.3.1 Ausgleichskupplungen ……………………………45
3.3.2 Schaltbare Kupplungen ………………………47
3.3.3 Welle-Nabe-Verbindungen ……………………47
3.3.4 Starre Axialverbindungen zur Drehmomentübertragung ………..48
3.3.5 Reibung an querbelasteten Schraubenverbindungen …………48
3.4 Bremsen ……………………………..50
3.4.1 Bremsenarten ………………….50
3.4.2 Innenumgriffene Bremsscheiben ……………………52
3.4.3 Erwärmung der Bremse ……………………53
3.4.4 Werkstoffe für Reibkörper ……………..54
3.5 Berechnungsgrundlagen zur Kühlung und Strömung ……………..55
3.5.1 Kühlungsarten …………………55
3.5.2 Wärmedurchgang ………………….55
3.5.3 Strömung im Rohr ……………………56
3.5.4 Strömung im Luftspalt ………….57
4 Anforderungen an Radnabenmotoren ………………..59
4.1 Geometrische Randbedingungen …………………59
4.2 Energiefluss …………………………….61
4.3 Kinematik …………………………..61
4.4 Kräfte …………………………………..61
4.5 Elektrische Funktionselemente ………………..62
4.6 Umgebung …………………………63
4.7 Lebensdauer und Sicherheit ……………………..63
4.8 Wahrnehmung …………………………….64
4.9 Fahreigenschaften …………………….64
4.10 Materialkreislauf ……………………65
5 Konzeption ………………………………66
5.1 Funktionsstruktur …………………….66
5.2 Konzeption von Funktionseinheiten ……………..67
5.2.1 Symbole für Funktionselemente ……………67
5.2.2 Radvarianten ………………….69
5.2.3 Lagervarianten …………………….70
5.2.4 Varianten der elastischen Entkopplung ………………72
5.2.5 Bremsenkonzepte ……………………….74
5.2.6 Bauvarianten der elektrisch aktiven Einheit ……………..76
5.2.7 Flüssigkeitskühlung der Wicklung…………………78
5.2.8 Rotorzylinder ………………………..79
5.2.9 Geometrische Maßnahmen gegen eine Berührung im Luftspalt ………..81
5.2.10 Seitendeckel des Rotors ……………………….81
5.3 Gesamtkonzepte ………………..82
5.3.1 Konzeption des Elisa-Zwei-Motors …………….82
5.3.2 Darstellung ausgewählter Gesamtkonzepte ………………….85
5.3.2.1 Außenrotierende Radlagerung ………………..85
5.3.2.2 Innenrotierende Radlagerung ……………….87
5.3.2.3 Beidseitige Radlagerung ……………………89
5.3.2.4 Entkopplung durch versatzausgleichende Kupplung ……………..90
6 Entwürfe von Radnabenmotoren ……………………..92
6.1 Radnabenmotoren mit außenrotierender Radlagerung …………….92
6.2 Radnabenmotoren mit innenrotierender Radlagerung ……………..97
6.3 Radnabenmotoren mit beidseitiger Radlagerung ……………… 102
6.4 Radnabenmotoren mit versatzausgleichender Kupplung ……………. 104
6.5 Bewertungskriterien…………………….. 109
6.6 Prototypenfertigung …………………. 110
7 Berechnung und Messung …….. 113
7.1 Gewichtsverteilung ……………. 113
7.2 Lebensdauer und Steifigkeit der Radlagerung ………. 120
7.3 Reibungsverluste …………… 121
7.4 Erwärmungsprüfung …………….. 126
7.4.1 Erwärmungsprüfung des Elisa-Drei-Stators …………….. 126
7.4.2 Erwärmungsprüfung des Achsgenerators………….. 132
7.4.3 Vergleich des Elisa-Drei-Motors mit dem Achsgenerator …………… 135
7.5 Fahrversuche ………………… 137
8 Zusammenfassung und Ausblick ……………………. 139
A Anhang ……………… 142
A.1 Radnabenmotoren …………….. 142
A.2 Anforderungen ………… 143
A.3 Gesamtkonzepte …………….. 144
A.3.1 Außenrotierende Lagerung ………… 144
A.3.2 Innenrotierende Lagerung …………… 146
A.3.3 Beidseitige Lagerung……………. 148
A.3.4 Elastische Entkopplung …………….. 151
A.4 Entwürfe der Motoren ……………. 154
A.5 Bauteile und Prototypen ……………. 161
A.6 Leistungsmessung des Elisa-Drei-Motors ………… 164
Literaturverzeichnis …… 165

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