Hochdrehzahl-E-Achsenarchitektur für Personenkraftwagen

Automobilhersteller (OEMs) stehen bei der Integration elektrischer Traktionsantriebe in Großserienplattformen vor Herausforderungen bezüglich des Bauraums (Packaging), des Leergewichts sowie Lieferrisiken bei kritischen Rohstoffen. Die ZF Friedrichshafen AG begegnet diesen elektromechanischen Engpässen mit dem „High Revolution Drive“, einem integrierten 3-in-1-Elektroantriebssystem, das mit Rotordrehzahlen von bis zu 30.000 min⁻¹ arbeitet.

Elektromechanische Skalierung und Prinzipien der Drehmomentdichte
Die Dimensionierung eines elektrischen Traktionsmotors wird durch das elektromagnetische Drehmoment bestimmt, welches proportional mit dem aktiven Rotorvolumen skaliert. Gemäß den grundlegenden mechanischen Leistungsgleichungen, bei denen die Leistung dem Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit entspricht, verringert eine Anhebung der Drehzahl bei gleichbleibender elektrischer Leistungsabgabe das erforderliche momentane elektromagnetische Drehmoment. Diese mechanische Dynamik ermöglicht es den Entwicklern, das aktive elektromagnetische Blechpaket zu verkleinern und so das physische Gewicht sowie den gesamten Rotorquerschnitt zu reduzieren.

Der High Revolution Drive ist als integrierter 3-in-1-Antriebsstrang aufgebaut, der den Elektromotor, den Leistungselektronik-Inverter und das mechanische Untersetzungsgetriebe in einem gemeinsamen Gehäuse unterbringt. Um die hohe Motordrehzahl in Vortriebskraft an der Achse umzusetzen, integriert ZF ein zweistufiges Stirnradgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von etwa 18:1. Die zugrundeliegende Demonstrationskonfiguration erzeugt eine mechanische Spitzenleistung von 200 kW und stellt ein maximales Raddrehmoment von 3.500 Nm bereit.

Akustische Optimierung und Hochgeschwindigkeits-Zahneingriff
Der Betrieb von Hochdrehzahl-Elektromotoren bei 30.000 min⁻¹ führt zu hohen dynamischen Belastungen der mechanischen Komponenten sowie zu erheblichen NVH-Herausforderungen (Noise, Vibration, Harshness / Geräusch, Vibration, Rauheit). Hohe Drehfrequenzen können strukturelle Resonanzen im Gehäuse anregen und das Verzahnungsheulen über die üblichen automobilen Betriebsbereiche hinweg verstärken.

Anstatt zu versuchen, akustische Emissionen erst nach der Montage der Baugruppe zu dämpfen, setzte ZF auf ein integratives Komponentendesign: Lagersteifigkeit, Wellendurchbiegungsgrenzen und die Zahnflanken-Mikrogeometrie wurden direkt auf die Harmonischen des Motors abgestimmt. Thomas Meiser, Leiter des Geschäftsfelds E-Mobility bei ZF, erklärte, dass eine exakte Komponentenabstimmung erforderlich war, um die Lebensdauer- und Akustikziele zu erreichen. Elektromotor, Getrieberadsätze, mechanische Lager und Zahnprofile wurden als Gesamtsystem ausgelegt, um 30.000 min⁻¹ als die Betriebsgrenze zu identifizieren, an der mechanische Zuverlässigkeit und Fertigungskosten im optimalen Gleichgewicht stehen.

Reduzierung der Magnetmasse und Plattform-Modularität
Die Verkleinerung des aktiven Rotorbauraums führt zu erheblichen Materialeinsparungen in der gesamten elektrischen Maschine. Im Vergleich zu einer Basiskonfiguration mit 18.000 min⁻¹ innerhalb der ZF SELECT-Antriebsfamilie verringert der High Revolution Drive den gesamten Bauraumbedarf um nahezu 25 Prozent und senkt das Gesamtgewicht um fast 25 Prozent. Die Masse der Permanentmagnete sinkt um 50 Prozent, was die Anfälligkeit in der Fertigung gegenüber den Preisschwankungen und Lieferengpässen bei Seltenen Erden verringert. Trotz der parasitären Ventilations- und Planschverluste, die für mechanische Hochgeschwindigkeitsschnittstellen charakteristisch sind, erreicht der Gesamtsystemwirkungsgrad rund 93 Prozent.

Der Antriebsstrang fungiert als Derivat der modularen SELECT-Plattform und deckt Pkw-Leistungen von 150 kW bis 200 kW sowohl auf 400-Volt- als auch auf 800-Volt-Bordnetzarchitekturen ab. Automobilhersteller können das System in neue Elektrofahrzeugarchitekturen integrieren, ohne dass maßgeschneiderte Anpassungen der Produktionswerkzeuge für die Struktur erforderlich sind. ZF befindet sich in technischen Gesprächen mit mehreren Fahrzeugherstellern; der Serienstart ist für 2030 avisiert.

Zusätzlicher Kontext:
Dieser Abschnitt enthält technische Spezifikationen und Wettbewerbsanalysen (Benchmarking), die nicht Teil der ursprünglichen Produktankündigung waren.

Gängige Serien-Elektroantriebe im Automobilbereich arbeiten typischerweise mit Maximaldrehzahlen zwischen 12.000 min⁻¹ und 18.000 min⁻¹, kombiniert mit einstufigen oder niedrig übersetzten zweistufigen Planeten- oder Vorgelegegetrieben mit Untersetzungen zwischen 8:1 und 12:1. Fortschrittliche Hochdrehzahl-Benchmark-Antriebe aus der Serienfertigung – wie etwa hochleistungsfähige Permanentmagnetmotoren in modernen Performance-Plattformen – erreichen meist Obergrenzen zwischen 20.000 min⁻¹ und 22.000 min⁻¹, um eine Delamination der Rotorbandage und übermäßige mechanische Fliehkräfte zu vermeiden. Ein Betrieb bei 30.000 min⁻¹ erfordert spezialisierte Methoden zur Rotorsicherung, wie beispielsweise Carbonfaser-Bandagen (CFK) oder hochfeste Legierungshülsen, sowie hochfrequent schaltende Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter (SiC) im Inverter, um die hohen elektrischen Grundfrequenzen bereitzustellen, die für Rotor-Geometrien mit hoher Polpaarzahl erforderlich sind, ohne dabei eine thermische Sättigung hervorzurufen.

Bearbeitet von Natania Lyngdoh, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

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