Die Mobilität der Gegenwart steht aufgrund gesellschaftlicher Megatrends wie Klimaschutz, zunehmender Urbanisierung und knapper werdender Rohstoffe vor großen Herausforderungen – Probleme wie Staus oder Luftverschmutzung führen vor Augen, dass es neuer effektiver und nachhaltiger Mobilitäts- und Antriebslösungen bedarf. Das Innovationscluster REM 2030 erforscht Mobilität aus einer systemischen Perspektive heraus und entwickelt neben Komponenten wie Mobilitätskonzepten und Softwarelösungen zudem einen neuen Elektromotor.
Die Autoren: Simon Funke, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Lars Fredrik Berg, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Markus Schiefer, Elektrotechnisches Institut des KIT Die Autoren erforschen gemeinsam im Projekt Regional Eco Mobility 2030 (REM 2030) die Individualmobilität der Zukunft
Wie bewegen wir uns im Jahre 2030 fort? Welche Antriebe werden dabei eine Rolle spielen? Und wie muss sich Mobilität in urbanen Räumen wandeln, um zugleich effektiv und nachhaltig zu sein? Mit diesen und anderen Fragen befasst sich das Fraunhofer Innovationscluster Regional Eco Mobility 2030 (REM 2030), in dem sich vier Fraunhofer-Institute (ISI, IOSB, ICT und IWM) aus Karlsruhe und Freiburg sowie drei Institute des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) zusammengeschlossen haben. Gemeinsam mit Industriepartnern wie Fahrzeugherstellern, Zulieferern und Energieversorgern sowie Mobilitätsdienstleistern, Verkehrsbetrieben, Verbänden und Kommunen werden Lösungen und Wege für die effiziente Individualmobilität der Zukunft untersucht und erprobt. Mobilität wird dabei systemisch, also aus technologischer, ökologischer, sozialer und ökonomischer Perspektive betrachtet.
Projekt REM 2030 setzt auf kombiniertes und vernetztes Fahrzeugkonzept
Das Projekt REM 2030 verfolgt einen Mobilitätsansatz, der sich aus dem Zusammenspiel dreier Fahrzeugkonzepte ergibt: elektrischen Fahrrädern für Kurzstrecken, speziell für die Stadt entwickelten Kleinstfahrzeugen wie dem Renault Twizzy sowie herkömmlichen Autos für weitere Strecken. Im Projekt wird ein Demonstratorfahrzeug mit Lithium-Ionen- Batterie und einer Methanol-Brennstoffzelle als Range Extender aufgebaut. Durch die Nutzung von Strom aus Erneuerbaren Energien und Methanol aus Biomasse fallen die Emissionen sehr gering aus.
Zusätzlich wird zusammen mit dem Elektrotechnischen Institut am KIT ein neuer Elektromotor entwickelt. Die permanenterregte Synchronmaschine mit Einzelzahnwicklung ist auf eine hohe Leistungsdichte und Effizienz optimiert. Das Motorkonzept verzichtet bewusst auf aufwendige Bauteile und reduziert Materialkosten, wodurch sich bei kleineren als auch bei größeren Stückzahlen eine kostengünstige Fertigung realisieren ließe.
Das Kernstück des Motors bildet ein Stator aus zwölf segmentierten Einzelzähnen, welche mit einem Flachdraht hochkant bewickelt sind. Massive Flachdrähte in den Nuten von elektrischen Maschinen erzeugen durch Stromverdrängungseffekte deutlich höhere Verluste als Litzenleiter. Um diese Verluste zu reduzieren und trotzdem einen hohen Füllfaktor zu erhalten, wird ein flacher Rechteckdraht in mehreren Lagen hochkant gewickelt. Der zwischen den Wicklungen zweier benachbarter Zähne entstehende dreieckförmige Freiraum wird für Kühlkanäle genutzt, die beim Vakuumverguss der Wicklung geformt werden. Die Kühlkanäle werden dabei durch eine zusätzliche Isolationsfolie von der Wicklung getrennt.
In Simulationen und Versuchen konnte die verbesserte Wärmeabfuhr bereits gezeigt werden. Durch das niedrige Temperaturniveau reduzieren sich die Magnetkosten und es können an vielen Stellen günstige Kunststoffe eingesetzt werden.
Neues REM-Elektromotorkonzept setzt auf einfach zu fertigendes Gehäuse
Durch die innenliegenden Kühlkanäle kann das Gehäuse sehr einfach gefertigt werden. Das B-Lagerschild wird als Spritzgussbauteil ausgeführt. Im Vergleich zu einem Aluminiumdruckgussbauteil können hierdurch Werkzeug- und Materialkosten gesenkt werden und es lassen sich zusätzliche Funktionen wie beispielsweise Stecker, Sensoren und Dichtungen integrieren. Die Lagerschilde übernehmen auch die Verteilung des Kühlmittels auf die Kühlkanäle. Das maximale Drehmoment von 90 Nm des Elektromotors mit einer Dauerleistung von 70 kW wird über ein ebenfalls im Projekt entwickeltes schaltbares Getriebe mit zwei Gängen und ein offenes Differenzial auf die Vorderräder des Fahrzeuges übertragen. Neben der Antriebsseite spielt vor allem die Vernetzung der unterschiedlichen Fahrzeugkonzepte eine wichtige Rolle: Denn erst wenn diese durch Software-Lösungen und mit den Angeboten des öffentlichen Nahverkehrs verbunden sind, können elektrische Fahrräder, Kleist- und größere Fahrzeuge von den Nutzern akzeptiert und miteinander kombiniert werden.
Weitere Forschungsergebnisse des Projekts REM 2030 werden auf dem Symposium „Urbane Mobilität der Zukunft“ vorgestellt, das am 17. und 18. Juni 2015 im Konzerthaus Karlsruhe stattfindet. Vertreter aus Wissenschaft, Industrie, Politik und Wirtschaft diskutieren darüber, wie sich die Mobilität in den kommenden Jahren wandeln muss und kann.
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