Entwicklung EinEs E-Motors für diE forMula studEnt ElEctricEine Marktrecherche über geeignete Elektromotoren für das 2011er-Fahrzeug des Akademischen

Motorsportvereins Zürich (AMZ) hat ergeben, dass es momentan auf dem Markt keine Motoren gibt,

welche die gestellten Anforderungen an Gewicht, Volumen, Effizienz und Leistung für einen Renn-

wagen der Formula Student Electric erfüllen. Deshalb hat das Team im November 2010 entschieden,

einen eigenen Motor zu entwerfen, der bereits im Juni 2011 erfolgreich im Auto getestet wurde und

im Verlauf der Rennsaison alle Erwartungen erfüllt hat.

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Formula Student electric TEchNiSchE hiGhLiGhTS

Konzept

Die Analyse der Saison 2010 ergab, dass die eingesetzten DC-Bürstenmotoren zwar ein gutes Package bei niedrigem Gewicht ermöglichen, jedoch insbesondere Dreh-momentverlauf und Effizienz viel Poten-zial zur Verbesserung bieten. Ausgehend von aufgezeichneten Daten und einfachen Modellen wurden die Abhängigkeiten von mitgeführter Energiemenge, Strukturge-wicht und Maximalleistung untersucht. Für den Antriebsstrang kam unter Berück-sichtigung des Leistungslimits der Akku-zellen eine geforderte Maximalleistung von rund 75 kW bei maximal 650 Nm an der Hinterachse zustande. Um die Mög-lichkeiten des Elektroantriebs voll ausnut-zen zu können (Rekuperation, Torque Vec-toring), wurde auch im Jahr 2011 das Kon-zept eines Motors pro Hinterrad weiterver-folgt. Da eine Eigenentwicklung sehr gro-ße Risiken mit sich bringt, wurde entschie-den, dass die selbstentwickelten Motoren innerhalb eines Tages durch die DC-Moto-ren der Saison 2010 ersetzt werden können müssen. Dies implizierte nicht nur Maxi-malabmessungen für Durchmesser und Länge des Motors, sondern definierte auch die mechanische Schnittstelle mit dem ebenfalls selbstenwickelten Übersetzungs-getriebe (Übersetzung von 5.12:1 bei 2,9 kg). Außerdem konnte aufgrund der verfügbaren DC- und AC- Controllor die Maximalspannung des Akkupacks auf 150 V festgelgt werden. Um eventuellen Simulationsfehlern beizukommen, wurde beim Drehmoment anstatt der benötigten 63,5 Nm vorbeugend die Zielspezifikation auf 75 Nm gesetzt, ❶.

Anschließend wurden verschiedene Motorkonzepte untersucht: Permanent-

mag neterregte Synchronmaschinen (PMSM) bieten eine sehr hohe Leistungsdichte und sind je nach Typ auch sehr leicht zu reali-sieren. Eine Axialflussmaschine mit Per-manentmagneten hätte den Vorteil, dass eine kleinere Rotationsträgheit die beschleu-nigte Masse verkleinern würde und kein Eisen im Stator hätte, allerdings stellt eine Axialflussmaschine sehr hohe Anforde-rungen an die Fertigungsverfahren. Schließ-lich wurde entschieden, ein PMSM als Au-ßenläufer zu entwicken, da mit den gege-benen Maximalabmessungen (Durchmes-ser, Länge) ein deutlich höheres Drehmo-ment möglich ist als mit einem Innenläu-fer. Ausgehend von der Gaspedalstellung und der Fahrzeuggeschwindigkeit einer aufgezeichneten Runde des Endurance-Rennens, konnte mittels einer numerischen Optimierung eines elektromagnetischen Simulink-Modells des Motors eine durch-

schnittliche Motoreffizienz von 91 % bei einem Gewicht von unter 6 kg für die Ak-tivkomponenten (Stator mit Wicklungen und Rückschlussring mit Magneten) er-mittelt werden, ❷. Die zu optimierende Größe war das Gesamtgewicht von Aktiv-masse, plus der Massenzuschlag für rotie-rende Massen, plus das Gewicht der Akku-zellen, um die Motoverluste zu kompen-sieren. Des Weiteren wurde in der Kon-zeptphase beschlossen, die Statorwicklun-gen des Motors mit Wasser zu kühlen und zusätzlich für eine gute Luftzirkulation um den Rotor zu sorgen.

KonStruKtion und Simulation

Die konstruktiven Herausforderungen bei einer Elektromotor sind sehr vielfältig. Zwar ist die statische Auslegung sehr ein-fach und unkritisch, da nur das maximale

urS leutholdist verantwortlich für die

konzeptuelle Auslegung und die Konstruktion des Motors beim AMZ,

dem Formula-Student-Team der ETh Zürich, und betrat damit wie das

gesamte Team Neuland.

AuToR

❶ Kenndaten des Motors Main characteristics of the motor

Weight 9.5 kg

dimenSionS (diameter x length) 196 x 160 mm

maximum torque 75 Nm

maximum rpm 6650 rpm

maximum poWer (inverter limited) 38 kW

continuouS poWer (thermally limited) 10 kW

maximum eFFiciency 96 %

Service eFFiciency „Formula Student“ 91 %

❷ Simuliertes Effizienzkennfeld (ohne Feldschwächung)Simulated efficiency map (without field weakening)

65November 2011 Formula Student Germany

Formula Student germany TEchNiSchE hiGhLiGhTS

concept

The analysis of the 2010 season showed that the used brushless DC motors al-lowed for a good package with low weight, but the torque profile and the efficiency had a lot of potential for improvements. Using logged data and simple models the dependencies between stored energy, chassis weight and maximum power were investigated. Under the power limitation of the accumulator cells a required maxi-mum power of 75 kW at a maximum of 650 Nm of torque on the rear axle was de-termined. To use the possibilities of an electric drive train (recuperation, torque vectoring) the concept of a complete inde-pendent drive for each rear wheel was continued in 2011. To reduce the risk of a self-developed solution it was decided that a switch from the new motors to the brushless DC of the 2010 season must be possible within one day of work. This step implicated not only the maximum di-mensions of the motor but also the me-chanical interface to the also self-devel-oped gearbox (transmission ratio of 5.12:1, weight 2.9 kg). Moreover the maxi-mum voltage of the accumulator pack was set to 150 V because of the available DC and AC controllers for the two solu-tions. To compensate the possible simula-tion errors the actually needed 63.5 Nm of torque per motor were set to 75 Nm, ❶.

Afterwards different motor concepts were investigated: Permanent magnet syn-chron motors (PMSM) offer a very high power density and are depending on the type quite easy to realize. An axial-flux

motor with permanent magnets would have the advantage of reduced inertia and no iron weight and losses on the stator, but it poses very high requirements on manufacturing. Therefore it was decided to develop the PMSM as an outrunner, be-cause with the given maximum dimen-sions (diameter, length) a significant high-er torque is possible compared to an in-runner. Based on throttle position and vehicle speed of a logged endurance lap it was possible to apply a numerical optimi-zation to an electromagnetic Simulink model of the motor. The resulting average efficiency of 91 % can be achieved with a weight of just below 6 kg for the active components (stator with windings and ro-tor with magnets), ❷. The goal of the op-timization was the weight of the active components, plus the reduced mass of the rotating parts, plus the accumulator cells needed to overcome for the losses. It was also already decided within the concept of the motor to cool the stator windings with water and to provide good air circulation around the rotor.

deSign and Simulation

The design challenges for an electric mo-tor are various. The static dimensioning is quite easy and not crucial because the only load case is the transmission of the torque, but above an rpm of around 4000 rpm modal effects occur. This re-quires a carefully carried out modal analy-sis; especially with an outrunner. The most important subject is the stiffness al-location of the joining part between the

motor shaft and the rotor. The expected losses from the electromagnetic model al-low to split up the losses of the stator and the rotor. The bearing losses can also be calculated quite easy. Together with the material properties this loss expectations can be used to set up a thermal FEM (Fi-nite Element Method) model to configure the water cooling and to predict the ther-mal behavior of the motor.

Apart from the electrical sheets for the stator (0.3 mm sheets) and the rotor (0.5 mm sheets), the cooper windings and the NdFeB magnets, only the motor shaft is made out of steel. All other parts are made out of aluminum.

The stator pack is shrunk onto the cen-tral stator holder which not only carries the stator but also has integrated bearing seats, connects to the gearbox and has some of the cooling channels. The water cooling is dimensioned such that the face sides of the stator pack release the major part of the heat using cooling plates which are glued to the cooper windings. To avoid spots on the plates where there is no moving water

dEvElopMEnt of an E-Motor for forMula studEnt ElEctric

urS leuthold is responsible for the conceptual

layout and the design of the motor at AMZ, the Formula Student Team

from the ETh Zurich (Switzerland) and broke new ground with like the

whole team.

AuThoR

A market research for a suitable electric motor for the 2011 car of the Akademischer Motorsportverein Zürich (AMZ)

showed that at the moment there are no solutions which fulfill the requirements for weight, volume, efficiency and power

for a racecar of Formula Student Electric. Therefore the team decided in November 2010 to develop a motor in-house.

The motor was already tested in the car in June 2011 and fulfilled all expectations throughout the racing season.

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66 Formula Student Germany November 2011

Drehmoment beachtet werden muss. Jedoch kommen ab einer Drehzahl von circa 4000/min Schwingungseffekte hin-zu, die insbesondere bei einem Außenläu-fer eine sorgfältige Modalanalyse erfor-dern. Als entscheidend hat sich hierbei die Steifigkeitsverteilung des Bauteils her-ausgestellt, das den Rotor an die Motor-welle anbindet. Die Verlustabschätzungen des elektromagnetischen Modells des Mo-tors erlaubte die Aufteilung in Statorver-luste und Rotorverluste. Zusätzlich konn-ten die Verluste der Kugellager einfach er-mittelt werden. Mit diesen Angaben und den Materialkenndaten konnte ein thermi-sches FEM (Finite Elemente Methode)-Modell aufgestellt werden, um die Was-serkühlung auszulegen und das thermi-sche Verhalten des Motors vorauszusagen.

Abgesehen von den Elektroblechen für das Statorpaket (0,3 mm Bleche) und das Rotorpaket (0,5 mm Bleche), den Kupfer-wicklungen und den NdFeB-Magneten be-steht nur die Motorwelle aus Stahl; die restlichen Teile sind aus Aluminium.

Das Statorpaket wird auf den zentralen Statorhalter aufgeschrumpft, der neben der Befestigung des Statorpakets auch die beiden Lagersitze der Motorwelle enthält, die Befestigung an das Getriebe sicherstellt und einen Teil der Kanäle für die Wasser-kühlung integriert hat. Die Wasserkühlung ist so ausgelegt, dass die Stirnseiten des Statorpackets einen Großteil der Wärme über zusammen mit den Kupferwicklun-gen vergossene Kühlplatten abgeben. Um keine Stellen zu haben in denen das Was-ser „steht“, wurde außerdem versucht, durch ein Labyrinthsystem eine gleichmä-ßige Zirkulation auf der gesamten Kühlflä-che sicherzustellen. Das Motorschild schließt den Motor getriebeseitig ab und ist mit Passfedern und Schrauben mit dem zentralen Statorhalter verbunden. Außer-dem enthält das Motorschild die Anschlüsse für die Wasserkühlung und die drei elekt-rischen Phasen. Der Rest des Motorgehäu-ses bildet eine CFK-Verkleidung, die Küh-lungsschlitze und die Befestigung des Drehgebers enthält. In die Wicklungen des Stators sind jeweils zwei Temperatur-fühler pro Motor integriert. Die Tempera-tur des Rotors wird mittels eines Infrarot-sensors überwacht, welcher auf der CFK- Verkleidung angebracht ist. Der Drehge-ber ist mit einer Wellenkupplung an der Motorwelle befestigt, um die Schwin-gungseffekte und Fertigungsungenauig-

keiten zu kompensieren und den Dreh-geber zu schonen, ❸.

Fertigung und inbetriebnahme

In der Fertigungsphase wurde bekannt, dass die aus China importierten Magnete um drei Monate verspätet eintreffen wer-den. Um das Potenzial des Eigenbaumo-

tors dennoch ausschöpfen zu können, wurde in sehr kurzer Zeit ein Ersatzrotor konstruiert, ausgelegt und gefertigt. An-stelle von segmentierten Magneten wur-den in diesem Rotor leicht erhältliche Rechteckmagnete verwendet. Um Kosten und Zeit zu sparen, wurde der Rückschluss-ring aus massiven Eisen hergestellt, was zu zusätzlichen Verlusten führte. Aufgrund der Form der Magneten mussten in den

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November 2011 Formula Student Germany

the cooling plates feature a labyrinth sys-tem that helps to have an even water flow on the whole stator face sides. The motor shield closes the motor towards the gear-box and transmits the reaction torque us-ing feather keys and screws. Additionally the shield houses the connection for the water cooling and the three electrical phas-es. The rest of the motor is encased with a CFRP cover which has cooling vents and holds the rotary position sensor. Two tem-perature sensors are integrated into the windings of each motor. The temperature of the rotor is measured with an infra-red sensor, which is also mounted to the CFRP cover. The rotary position sensor is con-nected to the motor shaft with a shaft cou-pling to compensate for the modal effects and the manufacturing tolerances and to prevent the sensor from damage, ❸.

manuFacturing and commiSSioning

During the manufacturing phase it be-came obvious that the imported magnets from China have a delay of three months. To use the potential of the motor an alter-native rotor was designed, simulated and manufactured. Instead of segmented Nd-FeB magnets easily available rectangular magnets were used. To reduce cost and time the rotors were made out of massive steel which led to additional iron losses. Because of the shape of the magnets pockets needed to be eroded into the flux ring. The magnets were glued into the ring by hand.

To keep the cooper losses reasonably small it was necessary to keep the electro-magnetic active parts of the cooper wind-ings as small as possible. Because of that and the need of a sufficient electrical iso-lation a company to carry out the de-manding winding work was searched and found. The windings were manually made. After soldering the windings to-gether and attaching the connectors, the isolation against earth was tested until 1 kV. Also the isolation and the inductivi-ty between single phase was tested, ❹.

To protect the windings and to optimize the heat transfer of the cooper losses to the cooling plate the windings were grout-ed using potting resin. Using a simple mould a good distribution of the resin to the desired parts of the stator was achieved. By using mould the used resin weight was reduced to a minimum.

The first task on the test bench was to adapt the current control of the inverter to the motor and to determine additional ba-sic parameters (maximum current, maxi-mum rpm, field weakening). After that the motor was balanced to allow higher rpms on the test bench. The work on the test bench included different experiments. On one hand measurements were carried out to check the simulation results and to de-termine the efficiency map of the motor. On the other hand the capabilities of the cool-ing was tested with steady state tests. Addi-tionally torque and rpm profiles were traced to investigate the transient behavior.

During the test work a resonance fre-quency occurred at an critical rpm which was not detected during the simulation process. This led to a failure of the glue joint between the magnets and the flux ring. The cause of this problem was a wrong selection of the glue and a non opti-mal pre-treatment of the magnet’s gluing surface. After all the magnets had been glued to the flux ring correctly, no further problems occurred on the test bench. The motor was installed in the car in this con-figuration and several test drives were con-ducted.

The originally planned rotors were de-livered at the end of June 2011. To use the motor in its intended configuration at the first event of the season the backup rotors were switched to the original rotors. Be-cause of the time pressure this configura-tion could not be tested on the test bench. Already during the first test drive with the new rotor some magnets slid out of the flux ring and damaged also one current carrying power cable.

The workaround for this problem was the use of a binding band out of CFRP which was laminated over the magnet.

race uSe

After the motor did run reliable only in the first week of July 2011 the basic data for the efficiency, power and thermal characteristics had to be found within few testing days. But after only one test day it was evident that the conceptual goals of the motor could be fulfilled. Mostly the thermal behavior showed the expected re-sults. The temperature within the wind-ings did reach values of around 100° C and the temperature did not exceed 75° C. The torque profile and the maximum power matched the simulated values within few percents after some tweaks of the control software of the inverter, ❺. The efficiency of the motor and the invert-er combined did increase by around 10 % compared to the last year`s car. The ener-gy consumption for the same lap time was around 30 % lower compared to the 2010 car. During the first three races in Sil-verstone (UK), Spielberg (AT) and Hocken-heim (GER) no technical problems what-soever occurred involving the motors. Al-so a detailed check after three complete events showed no defects despite small traces of dirt which is normal and within the service life of the motors.

concluSion

The AMZ developed in a very short time an electric motor that offers a better overall package for a Formula Student electric car than most of the competitor solutions. The simulated basic characteristics match the real values within only some percents. This and the reliability of the motor were impor-tant elements for the success of the 2011 season. However the development of an own motor is risky and only advised to teams with enough resources, teams that are able to find very strong partners and teams that have a big confidence among their members. For the upcoming season 2012 the goals are an easier manufacturing and assembly of the motor and increased overall efficiency as well as an earlier time schedule for more time on the test bench.

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Rückschlussring Taschen erodiert werden. Die Magnete wurden dann von Hand in den Rückschlussring geklebt.

Um die Kupferverluste so gering wie möglich zu halten, waren die Wicklungs-köpfe, welche keinen Anteil zur Leistung erbringen, so klein wie möglich auszufüh-ren. Um dies und die elektrische Isolation der Wicklungen bei den bescheidenen Platzverhältnissen zu gewährleisten, wur-de eine spezialisierte Firma gesucht und gefunden, welche diesen anspruchsvollen Schritt ausführen konnte. Die Wicklungen wurden in Handarbeit hergestellt und nach dem Verlöten der Ausführungen auf Masse bis zu 1 kV geprüft. Ebenfalls wur-den mit einem Impulsstrom die Phasen untereinander verglichen, ❹.

Um die Wicklung zu schützen und die Kupferverluste mit der Kühlung besser ab-führen zu können, wurden die Wicklun-gen mit einem Vergussharz vergossen. Mit einer einfachen Form wurde erreicht, dass das Harz nur an die gewünschten Stellen fließen kann. Ebenfalls wurde damit das Gewicht der Vergußmasse auf das benö-tigte Minimum reduziert.

Die erste Arbeit am Prüfstand war, den Stromregler des Umrichters an den Motor anzupassen und auch weitere Designpara-meter (maximaler Strom, maximale Um-drehung, Feldschwächparameter etc.) fest-zulegen. Danach wurde der Motor ausge-wuchtet, so dass ein Betrieb bis zur maxi-malen Drehzahl möglich ist. Die Arbeiten am Prüfstand beinhalteten mehrere Versu-che. Einerseits wurden Messungen durch-geführt, um die elektromagnetischen Si-mulationen zu überprüfen und eine Effizi-enzkarte des Motors aufzunehmen, ande-rerseits wurden auch Leistungstests der Kühlung durchgeführt, um das Steady-State-Verhalten analysieren zu können. Ebenfalls wurden Drehmomemnt bezie-hungsweise Drehzahlprofile abgefahren, um das transiente Verhalten untersuchen zu können.

Während der Prüfstandsarbeiten trat ei-ne Resonanzfrequenz in einem kritischen Drehzahlbereich auf, die während der Si-mulation nicht zum Vorschein kam. Dies führte dazu, dass die Magnete sich vom Rückschlussring lösen konnten. Es stellte sich heraus, dass das Kleben der Magnete fehlerhaft in der Auswahl des Klebers und der Behandlung der Magnete gewesen war. Nachdem die Magneten neu verklebt wurden, kam es während der Prüfstandar-

beiten zu keinem weiterem Ausfall der Mag-neten, sodass der Einbau ins Fahrzeug er-folgen konnte. In dieser Konfiguration wurden mehrere Testfahrten durchgeführt.

Die Lieferung der geplanten Rotoren erreichte das Team schließlich Ende Juni 2011. Um den Motor in der geplanten Kon-figuration am ersten Wettbewerb einsetzen zu können, wurde der Tausch der Rotoren

vorgenommen. Aufgrund des Zeitdrucks konnte der Motor mit dem geplanten Rotor nicht auf den Prüfstand getestet werden. Bereits während der ersten Fahrt mit dem neuen Rotor verschob sich ein Magnet, wobei auch ein Kabel teilweise durchtrennt wurde. Abhilfe für dieses Problem wurde durch eine Bandage auf CFK geschaffen, welche über die Magnete laminiert wurde.

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November 2011 Formula Student Germany

❹ Professionell gewickelter StatorProfessionally wound stator

❺ Simuliertes und reales Drehmoment in Abhängigkeit des RMS-PhasenstromsSimulated and actual torque dependent on RMS phase current

❸ Explosionszeichnung des MotorsExploded view of the motor

renneinSatz

Nachdem der Motor erst in der ersten Juliwoche 2011 zuverlässig lief, mussten die grundlegenden Daten zur Effizienz, Leistung und Temperaturverhalten in we-nigen Testtagen ermittelt werden. Es zeig-te sich aber schon nach dem erstem Test-tag mit kompletten Motor, dass die kon-zeptionellen Ziele erfüllt werden konnten. Insbesondere das Temperaturverhalten ent-sprach den Erwartungen. Die Temperatur in den Wicklungen erreichte Werte um 100° C, während das Kühlmittel nicht wärmer als 75° C wurde. Der Verlauf des Drehmoments wie auch die Maximalleis-tung des Motors und des Systems entspra-chen nach einigen regelungstechnischen Anpassungen bis auf wenige Prozent den simulierten Werten, ❺. Die Effizienz der Einheit Controller-Motor stieg im Ver-gleich zum Vorjahr um knapp 10 %, wäh-rend der Energieverbrauch für eine identi-sche Rundenzeit des Fahrzeugs um mehr als 30 % gesenkt werden konnte. Es traten während den ersten drei Rennen in Silver-stone, Spielberg und Hockenheim keiner-lei technische Probleme an den Motoren auf. Auch eine detaillierte Überprüfung nach drei kompletten Rennen zeigte kei-nerlei Mängel, außer leichten Verschmut-zungen, was aber als normal betrachtet werden kann.

Fazit

Dem AMZ ist es gelungen in einer sehr kur-zen Entwicklungszeit einen Elektromotor zu entwickeln, der als Gesamtpaket deut-lich besser zu einem Formula-Student-Elec-tric-Fahrzeug passt als die meisten Konkur-renzlösungen. Die simulierten Kenndaten korrelieren bis auf wenige Prozent mit den tatsächlichen Werten. Dies und die Zuver-lässigkeit des Motors waren ein wichtiger Bestandteil für die Erfolge des AMZ in der Saison 2011. Die Eigenentwicklung eines Motors ist dennoch mit vielen Risiken be-haftet und nur Teams zu empfehlen, die über genügende Ressourcen verfügen, sehr gute Entwicklungspartner finden können und in denen ein großes gegenseitiges Ver-trauen herrscht. Für die kommende Saison liegen die Entwicklungsziele bei einer ver-einfachten Fertigung und Montage und ei-ner Steigerung der Effizienz. Zudem wird durch eine frühere Terminierung deutlich mehr Zeit auf dem Prüfstand angestrebt.

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