Für mehr Platz im Wagen

EC Motoren - Steigendes Komfort- und Sicherheitsdenken machte die Zahnräder-Ketten-Riemensysteme am Motor immer größer. Doch oft behindert dieses Konzept neue technische Lösungen und Design.

09. Oktober 2006

Als Nicolaus Otto vor 150 Jahren mangels Alternativen auf eine starre Kopplung von Kurbelwelle und Nockenwelle zurückgriff, war dies noch ein bedeutender Fortschritt. Heute allerdings behindert dieses Konzept oft neue technische Lösungen und optimales aerodynamisches Design. Abhilfe könnte hier der Einsatz moderner dezentraler Antriebe schaffen. Elektronisch gesteuert, können EC-Motoren vielfältige Sicherheits- und Zusatzfunktionen im Kfz antreiben. Platzprobleme und aufwändige Inspektionen von Riemen, Spannrollen etc. entfallen, da der kompakte Antrieb vor Ort ist. Schon heute regeln dezentrale Steuergeräte für Bremsassistent, Motormanagement, Klimaanlage, Fahrwerkstabilisierung diverse Funktionen im Fahrzeug. Die Antriebsenergie für den geregelten Einsatz beziehen aber praktisch alle Funktionen noch aus Zusatzaggregaten, die direkt oder indirekt mit dem Motor mechanisch gekoppelt sind. Hier steckt ein enormes Entwicklungs- und Einsparungspotenzial.

Bisher werden im Auto nur wenige Funktionen durch dezentrale Antriebe bedient. Meist betrifft es Aggregate mit sehr einfachen Bewegungsabläufen bzw. Funktionen, die unabhängig vom Hauptmotor ablaufen müssen. Bestes Beispiel sind Scheibenwischer, Fensterheber oder Fahrzeuglüftung. Doch auch hier wird immer noch gern auf Zentralität gesetzt. So ist es weithin üblich, die über ein einzelnes, großes und lautes Gebläse geförderte Frischluft im Fahrzeug per Rohrleitung zu verteilen. Konstruktionsbedingt ist der Einsatz individueller Antriebe bei Fensterhebern, Sitzverstellung, Gebläse für die Klimaanlage oder im Kühlerventilator weiter fortgeschritten. Allerdings werden fast ausschließlich unflexible Bürstenmotoren verwendet. Zudem fehlt es oft noch an einer intelligenten Steuerung, die die Funktion überwacht und Überlastungen vermeidet. Auch simple Ein-/Aus-Schalter für den Kühlerventilator erlauben keine Regelung der Kühlmitteltemperatur, die der Motorbeanspruchung und dem Spritverbrauch entsprechen. Die meisten Energie verbrauchenden Systeme sind nur kurz in Betrieb bzw. nur zeitweise unter voller Last im Einsatz.

Nachteil Mechanik

Eine mechanische Kopplung zum Hauptmotor hat daher immer zwei bedeutende Nachteile: Erstens die Drehzahl des Verbrennungsmotors variiert, und damit sein Leistungsvermögen, zweitens divergieren oft Leistung des Antriebs und Leistungsnachfrage der Aggregate. Weitere Beispiele für Systeme, die dagegen permanent mit voller Leistung beaufschlagt werden, sind z.?B. die Kühlflüssigkeitspumpe und die Hydraulikpumpe der Servolenkung. Da diese Systeme vom ersten Augenblick einer Fahrzeugbewegung an auf ihr Leistungsmaximum hochgefahren werden, sind sie sehr ineffizient in ihrer Energiebilanz.

Geht man dagegen bei den Zusatzaggregaten zu elektronisch gesteuerten EC-Motoren als Kraftquelle über, so entkoppeln sich das Leistungsangebot des Motors und die Leistungsnachfrage der Aggregate. Wenn die Motoren elektronisch kommutiert sind, bleiben als einzige mechanische Verschleißkomponente die Lager. Das Funktionsprinzip der EC-Motoren ist dabei recht einfach: Ein Synchronmotor mit einer internen oder externen Steuer-Elektronik, die aus Gleichstrom das notwendige Drehfeld erzeugt. Das Motorverhalten entspricht dem des Gleichstrommotors. Diese Motoren lassen sich sehr feinfühlig in allen Last- und Drehzahlbereichen regeln. So ist ein so genannter 4-Quadranten-Betrieb, also Beschleunigen oder Bremsen in beide Drehrichtungen problemlos möglich. Gerade diese Eigenschaften erlauben den Einsatz in vielen Kfz-Anwendungen, da hier oft sowohl Beschleunigungs- wie auch Bremsbetrieb gefordert wird. Im Gegensatz zu Hydraulikkomponenten sind dazu keine weiteren Bauteile wie Umschaltventile oder Rückholfedern nötig. Dank des stets optimal geregelten Winkels zwischen Anker und Statormagnetfeld lässt sich das Drehmoment gut einstellen, ein wichtiger Punkt, um hohe Losbrechmomente zu überwinden und danach auf Position zu regeln. Auch ist der Wirkungsgrad solcher Motoren wegen der optimalen Magnetflussregelung sehr hoch. In den gehobenen Fahrzeugklassen sind einige Anfänge der Dezentralisierung bereits zu sehen. So ist eine Lenkunterstützung per Elektromotor und Überlagerungsgetriebe bereits in Serie, ebenso Servolenkungen mit Elektromotor statt Hydraulik. Gerade bei der Lenkhilfe ist der Antriebsmotor extrem gefordert. über die gesamte Lebensdauer sind wechselnde Drehzahlen zwischen 0 und 6.000 U/min durchzustehen. Für die dezente Lenkunterstützung ist dabei sowohl der feinfühlige, fast als Schrittmotor zu bezeichnende Einsatz gefragt, wie eben auch im schnellen Wechsel der dynamische Hochlauf in typischen Einparksituationen oder aber auch bei der Unterstützung dynamischer Fahrsituationen (Slalomkurs). Der Motor wird dabei im Fahrzeugeinsatz ständig im 4-Quadranten-Betrieb belastet. Ein integrierter Drehgeber mit einer Drehwinkelgenauigkeit von < 1 % stellt sicher, dass Motor und Regelungselektronik die nötigen exakten Daten erhalten.

Unbegrenzte Möglichkeiten

Auch Lüfter und Kleingebläse mit intelligenten EC-Antrieben sind bereits etabliert. Diese werden speziell in der Elektronikkühlung im Kfz, aber auch im Komfortbereich zur Sitzklimatisierung, zur Klimasensorik, Einzelplatzklimatisierung oder als Hilfsgebläse eingesetzt. Auch geregelte Kühlerventilatoren, elektrische Kühlwasser- und Motorölpumpen sind bereits auf dem Markt. Noch etwas weiter in der Zukunft für Pkw und heute noch auf Lkw bzw. Prototypen beschränkt liegen folgende EC-Motoren-Anwendungen: Antriebe ersetzen die herkömmliche starre mechanische Kopplung bei Antrieb oder Bremse und binden sie so in ein Fahrmanagement ein. Dazu zählen Getriebeaktuatoren, die elektrisch angesteuerte Kupplung oder eine gesteuerte Ölabscheidung und Abgasrückführung bzw. Abgasreinigungssysteme mit Harnstoff-Wasser-Lösung für Dieselmotoren. Weitere zukunftsträchtige Anwendungsgebiete für EC-Motoren sind: Kurvenlicht, eine automatische Bremsbelagnachstellung bei Fahrtbeginn und elektrohydraulische Niveauregulierung bzw. aktive Fahrwerke. Dank der heutigen Miniaturisierung der Elektronik und neuer, hochenergetischer Magnetmaterialien lassen sich die dezentralen Antriebe für jeden Einsatz maßschneidern. Schock- und Vibrationsbelastungen bis über 10 g dauerhaft standzuhalten ist ebenso möglich, wie Temperaturschwankungen zwischen -?40 und +?120 °C. Neben dem Einhalten der rein mechanischen Ansprüche sollte der Antrieb zusätzlich sicherheitsrelevante Funktionen selbsttätig überwachen. So ist eine Drehmoment- oder Drehzahlkontrolle heute schon kein Problem, ebenso ein Fehlermeldungsausgang oder die Einbindung des Antriebs in das Bussystem des Fahrzeuges. Der Motor entlastet mit dieser Kompakt-Lösung den oder die zuständigen Rechner und ist ein Plug-and-play-System, welches sich nach dem Einbau selbst konfiguriert und überwacht. Kompakte Innen- oder Außenläufermotoren in vielen Größen erlauben eine optimale Anpassung des Aktors an die individuelle Antriebstechnik. Sie sind zudem jedem Zahnrad-, Riemen- oder Kettenantrieb in Lebensdauer und Wartungsfreiheit überlegen. Bei direktem elektrischem Antrieb entfällt auch noch die heute übliche Hydraulik.

Moderne EC-Antriebsmotoren bilden in Zukunft die Schnittstelle zwischen flexibler Elektronik und relativ starrer mechanischer Peripherie. Als dezentraler Aktuator vor Ort eingesetzt erlauben sie feinfühlige Antriebsleistung nach Bedarf. Zudem können sie sich als intelligenter Antrieb selbst überwachen, Sicherheitsfunktionen übernehmen und eröffnen damit dem Fahrzeugmanagement neue Regelungsmöglichkeiten. Für alle Entwickler bieten sich so eine höhere Flexibilität und deutlich mehr Freiheitsgrade für das Design und individuelle Abstimmung.

Andreas Zeiff/ Dietrich Homburg

Erschienen in Ausgabe: 07/2006