Neuer 200-kW-Elektroantrieb von ZF: fast ein Viertel kleiner, halb so viel Magnetmaterial
Der deutsche Technologiekonzern ZF hat mit dem High Revolution Drive einen neuen Elektroantrieb entwickelt, dessen Motor Drehzahlen von bis zu 30.000 U/min erreicht. Weil er deutlich schneller dreht als herkömmliche Motoren, lassen sich Bauraum und Gewicht des Antriebs um fast 25 % und der Bedarf an Magnetmaterial um bis zu 50 % reduzieren. Das System bietet dennoch eine Spitzenleistung von 200 kW und einen Wirkungsgrad von rund 93 %. ZF will die Technologie spätestens 2030 in Serie produzieren.
Höhere Drehzahlen ermöglichen einen kleineren Motor
Der High Revolution Drive vereint Elektromotor, Wechselrichter und Untersetzungsgetriebe in einer kompakten Drei-in-eins-Antriebseinheit.
Die Ingenieure haben die maximale Drehzahl des Motors auf 30.000 U/min erhöht. Ein vergleichbarer ZF-SELECT-Antrieb erreicht bis zu 18.000 U/min.
Dahinter steckt einfache Physik: Bei gleicher Leistung ist bei höherer Drehzahl weniger Drehmoment erforderlich. Dadurch kann der Rotor des Motors kleiner und leichter ausfallen.
Ein zweistufiges Untersetzungsgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von etwa 18:1 wandelt die hohe Motordrehzahl in die an den Rädern benötigte Antriebskraft um. Der vorgestellte Antrieb liefert 200 kW Spitzenleistung und bis zu 3.500 Nm Drehmoment an den Rädern. Dabei ist zwischen Motordrehmoment und Raddrehmoment zu unterscheiden: Die 3.500 Nm sind nicht das Drehmoment des Elektromotors selbst, sondern der Wert, der über das Untersetzungsgetriebe an den Rädern ankommt.
Bedarf an Magnetmaterial halbiert
Verglichen mit einem SELECT-Antrieb gleicher Leistung benötigt das neue System fast 25 % weniger Bauraum und wiegt nahezu ein Viertel weniger.
Noch wichtiger ist, dass es 50 % weniger Magnetmaterial benötigt.
Die in Elektromotoren mit Permanentmagneten verwendeten Seltenerdmetalle führen dazu, dass die Produktion auf komplexe internationale Lieferketten angewiesen ist. Ein geringerer Magnetbedarf hilft, sowohl Materialkosten als auch die Abhängigkeit von Lieferketten zu verringern.
Ganz ohne Magnete kommt die Lösung von ZF allerdings nicht aus.
Hohe Drehzahlen stellen zudem höhere Anforderungen an Lager, Zahnräder und die Schwingungsdämpfung. ZF hat Motor, Untersetzungsgetriebe und Leistungselektronik als integriertes System entwickelt, um die Geräuschentwicklung unter Kontrolle zu halten.
Das Ergebnis ist ein Wirkungsgrad von rund 93 % – genauso hoch wie beim herkömmlichen SELECT-Antrieb des Unternehmens.
ZF hat Größe und Gewicht damit deutlich reduziert, ohne beim Wirkungsgrad gegenüber dem vergleichbaren Antrieb Abstriche zu machen.
Ein kleinerer Antrieb gibt Autoherstellern mehr Spielraum
Der High Revolution Drive richtet sich an Elektroautos für den Massenmarkt mit einer Antriebsleistung von etwa 150 bis 200 kW.
Das System ist sowohl mit 400- als auch mit 800-Volt-Elektroarchitekturen kompatibel und nutzt Komponenten aus der bestehenden SELECT-Plattform von ZF.
Für europäische Autohersteller bietet der kompaktere Antrieb die Möglichkeit, das Fahrzeuggewicht zu senken oder den gewonnenen Platz für Batterien, den Innenraum und andere Komponenten zu nutzen.
Ein um ein Viertel kleinerer Antrieb bedeutet allerdings nicht automatisch einen entsprechenden Reichweitengewinn. Elektromotor und Untersetzungsgetriebe machen einen vergleichsweise kleinen Teil des Gesamtgewichts eines Autos aus. Wie viel Energie tatsächlich eingespart wird, hängt daher von der Gesamtkonstruktion des Fahrzeugs ab.
Der Ansatz von ZF unterscheidet sich auch von dem der Wettbewerber. Während einige Hersteller auf magnetfreie Motoren oder neue Halbleiter setzen, will ZF durch höhere Drehzahlen und die Optimierung des gesamten Antriebsstrangs Verbesserungen erzielen.
Serienproduktion bis 2030 geplant
ZF führt bereits Gespräche mit mehreren Autoherstellern und will spätestens 2030 mit der Produktion des High Revolution Drive beginnen.
Die Namen der ersten Kunden und den Preis des neuen Antriebs hat das Unternehmen nicht bekannt gegeben.
Der eigentliche Wert der ZF-Entwicklung liegt nicht in der Leistung von 200 kW: Elektroantriebe dieser Leistungsklasse gibt es bereits in großer Zahl auf dem Markt. Entscheidend ist, dieselbe Leistung mit einer kleineren, leichteren Konstruktion zu erreichen, die weniger kritische Materialien benötigt.
Für die europäische Elektroautoindustrie könnte das noch wichtiger sein als ein weiterer Leistungsrekord. Der Wettbewerb mit chinesischen Herstellern zwingt dazu, die Kosten zu senken. Jedes eingesparte Kilogramm Gewicht und jedes Gramm Magnetmaterial hilft, diesem Ziel näherzukommen.
