Neue Fahrzeugtopologien und -Designs Z-Drive: Revolutionärer Radnabenmotor für die Elektromobilität

Mit dem Z-Drive wurde ein Radnabenmotor entwickelt, der durch seine kompakte und einfache Bauweise, hohe Effizienz und Skalierbarkeit neue Maßstäbe in der Elektromobilität setzen kann. Die Konstruktion, für die 2022 Patentrechte erteilt wurden, ermöglicht eine signifikante Gewichtsreduzierung, eine schmalere Bauform, eine verbesserte Kühlung und vereinfachte Fertigungsprozesse.

Der Paradigmenwechsel in der Elektromobilität ist überfällig. Während heutige Elektrofahrzeuge sich kaum von Verbrennern unterscheiden, eröffnet der Z-Drive neue Fahrzeugtopologien und Design-Freiheiten. Das volle Potenzial elektrischer Antriebe für eine nachhaltige und effiziente Mobilität lässt sich so erschließen. Die aktuelle Elektromobilität ist geprägt durch klobige Autos mit zentralem Antrieb, die für den urbanen Raum ungeeignet sind. Der Fokus auf Größe, Leistung und Reichweite führt zu schweren Kisten und damit zu einer Ineffizienz, die sich negativ auf Umweltbilanz, Fahrzeugpreis und Mobilitätskosten auswirkt.

Der Z-Drive hingegen ermöglicht eine radikale Abkehr von diesem Konzept. Hier kommt der Antrieb in die Räder, wo die Leistung gebracht wird. Durch seine kompakte Bauweise, seine hohe Effizienz und seine Flexibilität fördert er so die Entwicklung von leichten, wendigen und kostengünstigen Elektrofahrzeugen mit neuen Topologien und Designs, die besser auf die tatsächlichen Anforderungen des modernen Verkehrs, besonders im urbanen und suburbanen Raum, zugeschnitten sind.

Natürlich ist das auch ein politisches Thema. Der Gesetzgeber ist gefordert, vernünftigere Rahmenbedingungen zu schaffen, beispielsweise durch den Lückenschluss zwischen Leichtfahrzeugen der L-Klasse und der Pkw-Klasse M1. Eine M0-Klasse für kompakte Cityfahrzeuge, ähnlich der in Japan äußerst erfolgreichen Kei-Car-Klasse, könnte den Stadtverkehr stark entlasten und die Kosten für E-Mobilität deutlich reduzieren.

Herausforderungen konventioneller Radnabenmotoren

Radnabenmotoren haben sich bisher nicht durchgesetzt, weil sich verschiedene Herausforderungen bisher nicht zufriedenstellend lösen ließen. Dabei handelt es sich um folgende Punkte:

• Größe und Gewicht: Die bisherigen Radnabenmotoren sind groß und schwer, was den Einbau kompliziert macht, die ungefederte Masse erhöht und die Fahreigenschaften beeinträchtigt.

• Komplexität und Kosten: Die Herstellung ist aufwendig, erfordert teure Vorrichtungen, Spezialteile und hochpräzise Fertigungsverfahren.

• Kühlprobleme: Die Kühlung der Motoren ist eine Herausforderung, insbesondere bei hohen Leistungen und führt meist zu zerklüfteten Oberflächen, die Wärme gut abstrahlen können, jedoch Schmutzfänger sind.

Der Z-Drive bietet eine elegante Lösung für diese Herausforderungen:

• Kompakte Bauweise: Durch ein schwingfähiges 2D-System, ein neuartiges Kühlkonzept und die namensgebende Z-Wicklung ist der Z-Drive deutlich schmaler und leichter als herkömmliche Motoren und nutzt das Kupfer im Stator besser aus.

• Effizienz: Das optimal ausgerichtete Magnetsystem, die auf vier Scheiben basierende filigrane Struktur und ein neuartiges innenliegendes und thermisch entkoppeltes Stator-System mit effizienter Druckluft- oder Flüssigkeitskühlung führen zu hohen Wirkungsgraden und maximaler Leistungsdichte.

• Skalierbarkeit: Der Z-Drive kann für viele Fahrzeug angepasst werden, von elektrisch betriebenen Rollern und Motorrädern über PKWs bis hin zu Nutzfahrzeugen. Der Leistungsbereich beginnt im einstelligen kW-Bereich. Die Systemleistung beim Einsatz in allen Rädern reicht bis zu mehreren 100 kW. Kleine Varianten des Z-Drives lassen sich problemlos in 10“-Rollerfelgen einbauen, die Entfaltung höherer Drehmomente erfordert Felgen ab 14“ Durchmesser.

• Kostengünstige Fertigung: Die stark vereinfachte Konstruktion schöpft die Möglichkeit des Rapid Prototypings voll aus und führt zu einer kostengünstigen Herstellung bereits bei kleinen Serien. Dazu tragen auch eine neuartige Bewicklung und Verdrahtung des Stators bei.

Funktionsprinzip

Das Herzstück des Z-Drive bildet ein sich selbst zentrierendes Magnetsystem, das auch zentraler Aspekt der Patentierung ist. Dieses Design macht aufwendige Versteifungen überflüssig und ermöglicht so eine deutlich flachere Bauweise. Das Ergebnis: ein leichter Motor, der sich problemlos in nahezu jedes Rad integrieren lässt. Ein weiterer Vorteil der neuen Bauweise liegt in einer effizienten Wärmeabfuhr, die im Winterbetrieb die Innenraumheizung unterstützen kann.

Neu ist auch das Wicklungsschema des Z-Drive, das symmetrisch aufgebaut ist und mit einer halbierten Anzahl der Verbindungspunkte auskommt. Die Verdrahtung erfolgt über Hochstrom-Brückensegmente, die Ähnlichkeiten mit Leiterplatten haben und sich unter Verwendung von lasergeschnitten Leitersegmenten einfach herstellen lassen. In den Bereich der Hochstrom-Verbindungen können auch vorteilhaft Komponenten der Leistungselektronik integriert werden, zum Beispiel Siliziumkarbidhalbleiter nebst Treibern oder weiteren Komponenten der Motor-steuerung. Die Verlustwärme der Leistungshalbleiter erfolgt dann durch den besonderen Aufbau der Kühlung aufwandsarm und direkt.

Vorteile und Anwendungen

Der Radnabenmotor punktet mit verschiedenen Vorteilen, wie verbesserten Fahreigenschaften, einem reduzierten Energieverbrauch und einer hohen Flexibilität

Verbesserte Fahreigenschaften

Durch die direkte Kraftübertragung, die verringerte ungefederte Masse und die günstige Gewichtsverlagerung bietet der Z-Drive ein präzises und agiles Fahrverhalten. Ein Vorteil, der schon beim Antrieb einer Achse zum Tragen kommt.

Reduzierter Energieverbrauch, erhöhte Reichweite und Umweltfreundlichkeit

Die hohe Effizienz des Z-Drives, sein geringes Gewicht und der Wegfall der üblichen Kraftübertragung, wie Reduziergetriebe, Differential oder Achswelle, trägt zu einer verbesserten Energiebilanz bei. Es resultiert ein reduzierter CO2-Fußabdruck und eine geringere Umweltbelastung durch Ressourceneffizienz.

Flexibilität

Der Z-Drive eignet sich natürlich für neue Fahrzeugkonstruktionen und -konzepte die ein verbessertes Verhältnis von Außenvolumen zu Innenraum anstreben, aber ebenso für die Umrüstung bestehender Fahrzeuge (geeignete Young- und Oldtimer…).

Entwicklungsstand

Zunächst wurde eine Maschine berechnet, entworfen, ein 3D-Volumenmodell konstruiert und analysiert (FEM, FEMM…). Labormuster des Motors wurden aufgebaut und getestet und eine passende Motorsteuerung mit neuartige Teilkreis-Sensorik entwickelt. Die Erprobung auf Prüfständen fand an der Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Berlin statt. Es folgten Fahrversuche mit zwei Z-Drives, die die Hinterräder eines Leichtfahrzeugs der Klasse L7e antrieben.

In Zusammenarbeit mit der HTW Berlin entstand ferner eine auf den Motor abgestimmte sensorlose Motorsteuerung.

Fazit

Der Z-Drive-Radnabenmotor bietet eine zukunftsweisende Lösung für die Herausforderungen einer modernen und innovativen Elektromobilität. Durch seine kompakte Bauweise, seine hohe Effizienz und Flexibilität ermöglicht er die Entwicklung von Fahrzeugen, die sowohl umweltfreundlich als auch wirtschaftlich sind. Die Fahrfreude kommt dabei garantiert nicht zu kurz. Jedes mit dem Z-Drive ausgestattete Fahrzeug profitiert von der spontanen Drehmomententfaltung direkt in den Rädern, egal ob nun zwei oder vier Räder damit angetrieben werden, oder im Falle von Zweirädern auch nur eines.

Der Entwickler des Z-Drive gibt die Patentrechte bei entsprechendem Interesse frei und ist für unterschiedliche Formen der Kooperation offen. Im Geiste von Open-Source-Hardware kann die Freigabe auch als eine Einladung verstanden werden, den Z-Drive weiterzuentwickeln und mit geeigneten Industriepartnern kostengünstig herzustellen.  (se)

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* Hans-Jürgen Esch ist Erfinder und Entwickler aus Leidenschaft, seit vier Jahrzehnten erfolgreich selbständig. Er ist Inhaber der Esch Projekt, System- und Projektentwicklung mit Sitz in Berlin. Kernkompetenz: Entwicklung elektronischer Systeme der Mikro- und Leistungselektronik sowie komplexer Mechatronik. Seit 2008 besonderer Fokus auf Elektromobilität.

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