Motor-Pumpen-Einheit

Die MPE des E-ACTIVE-BODY-CONTROL Systems ist das Produkt der Firma RAPA Automotive, bestehend aus den drei Hauptkomponenten: 

• einer Innenzahnradhydraulikpumpe
• einer permanent-erregten Synchronmaschine als Elektromotor
• sowie dem 48 V Steuergerät inklusive Software der Firma Silver Atena.

Als Verdrängerprinzip wurde eine Innenzahnradmaschine favorisiert.

Im Speziellen kommt eine vierquadrantenfähige Ausführung mit Leckagekompensation zum Einsatz. Die Leckagekompensation wird radial über druckaktivierte und in sich abgedichtete geteilte Füllstücke und axial über ebenfalls rückseitig abgedichtete und am Getriebesatz gleitende Druckplatten umgesetzt. Durch diese Bauweise können sehr hohe volumetrische Wirkungsgrade der Maschine erreicht werden. Insbesondere im wechselnden Betrieb um den Ursprungspunkt des Kennfeldes der Maschine wird dadurch ein sehr gutes Ansprechverhalten erzeugt. Die volumetrischen Wirkungsgrade der Maschine liegen in diesem Bereich nahezu bei 100 %. Der hohe Wirkungsgrad ist notwendig, da auf eine aktive Kühlung unbedingt verzichtet werden sollte.

Neben der Vierquadrantenfähigkeit und dem sehr hohen volumetrischen Wirkungsgrad bietet das gewählte Verdrängerprinzip zudem eine sehr kompakte Bauform und sehr gute Möglichkeiten einer hohen konstruktiven Integration zwischen Verdränger und Elektromotor.

Bezüglich der elektrischen Maschine kam nach intensiven Konzeptstudien eine permanentmagneterregte Synchromaschine zum Einsatz.

Die Maschine ist in Form eines Nassläufers mit Spaltrohr ausgeführt. Dies stellte eine besondere Herausforderung innerhalb der Entwicklung der elektrischen Maschine dar, gilt es doch, hohe Wirkungsgrade einerseits und eine Druckfestigkeit unter allen Betriebsbedingungen bis mindestens 150 bar andererseits zu erfüllen. Für einen höchstmöglich effizienten Betrieb der Maschine gilt ein wirbelstromfreies Spaltrohr als Voraussetzung, RAPA Automotive hat dazu ein dünnwandiges Kunststoffteil entwickelt. Die Wandstärke des Rohres kann dabei im magnetisch relevanten Bereich der Maschine auf wenige Zehntel Millimeter reduziert werden. Konträr dazu ist das Spaltrohr trotz der dünnen, aus magnetischen Gründen notwendigen, Wandstärke druckfest auszugestalten. Nach zahlreichen strukturmechanischen Simulationen hat RAPA Automotive eine inzwischen patentierte Geometrie entwickelt, welche sich unter Druck an den Statorzähnen abstützt und selbsttätig versteift.

Der Rotor ist in einem klassischen Speichendesign ausgeführt. Die im Rotorblechpaket integrierten Permanentmagnete werden durch eine direkt im Montagefluss eingebundene Kunststoffumspritzung fixiert. Die Umspritzung wird über stirnseitige Öffnungen zudem für das ebenfalls direkt in der Montagelinie angeordnete Wuchten des Rotors genutzt. Der Stator besteht aus einem Statorstern mit den darauf montierten und elektrisch verschalteten Einzelzahnspulen und einem radial den Stern umfassenden Rückschlussring. Nach Montage des Stators in das Gehäuse wird die Baugruppe mit einer 2-Komponenten Vergussmasse unter Vakuum vergossen.

Die in der MPE integrierte Elektronikeinheit wurde zusammen mit unserem Partner Silver Atena entwickelt.

Die bestückte, vormontierte und vorgeprüfte ECU wird in der Montagelinie bei RAPA Automotive am Motorgehäuse mechanisch befestigt und elektrisch kontaktiert. Die Einheit besteht aus einer Leistungsplatine und einer Signalplatine. Beide Platinen sind in Form eines Stacks mit einer zwischen den beiden Platinen liegenden Baugruppe zur Aufnahme der Zwischenkreiskondensatoren, der Eingangsdrossel und weiterer Bauteile aufgebaut.

Zur Erfassung der Istlage des Rotors dient ein Rotorlagesensor. Begünstigt durch die konstruktive Gestaltung der MPE ist der Rotorlagesensor direkt stirnseitig im Boden des Motorgehäuses platziert und sitzt damit direkt, auf kürzestem Wege, unter der ECU. Als Sensorprinzip kommt ein Hall-Sensor zum Einsatz. Das für den Sensor notwendige Magnetfeld in Abhängigkeit von der Lage des Rotors liefert ein am elektronikseitigen Ende der Welle angeordneter Dauermagnet. Die elektrischen Schnittstellen zum Fahrzeug bestehen aus einem 48 V Anschluss für die Leistungsversorgung sowie dem CAN Anschluss für die Kommunikation. Die Elektronik stellt zahlreiche Zustandsgrößen der MPE auf dem CAN Anschluss zur Verfügung. Neben den typischen Größen wie Drehzahl, Temperatur, Eingangsspannung und Stromaufnahme wird über zwei in der hydraulischen Maschine integrierte Drucksensoren auch der tatsächlich sensierte Istdruck an den beiden hydraulischen Anschlüssen der MPE auf dem CAN Bus bereitgestellt. Der Leistungselektronik kommt im Hinblick auf die Gesamtperformance im E-ACTIVE-BODY-CONTROL eine große Bedeutung zu, vor allem aufgrund der hohen systemseitigen Sicherheitsanforderungen (ASIL-Level C).

Die Bauraumanforderungen bedingen eine hochintegrierte Bauweise der Motor-Pumpen-Einheit.

Zu diesem Zweck sind die hydraulische Verdrängermaschine und die elektrische Maschine ineinander integriert aufgebaut und über eine gemeinsame Welle verbunden. Das Konzept der durchgehenden Welle ermöglicht ein Design mit nur drei Lagerstellen, wobei das mittlere Lager sowohl von der Innenzahnradmaschine als auch von der elektrischen Maschine gemeinsam genutzt wird. Ein weiterer Vorteil der gewählten konstruktiven Ausführung mit nasslaufendem Rotor und hoher Integration zwischen hydraulischer und elektrischer Maschine besteht darin, dass zur Atmosphäre lediglich statisch wirkende Dichtungen notwendig sind. Damit wird zum einen eine robuste Dichtheit des Systems über Lebensdauer sichergestellt und zum anderen dichtungsverursachte Reibung, und damit Verluste, auf die Welle komplett verhindert. Je nach den Bauraumerfordernissen im Fahrzeug kann die MPE über verschieden ausgeführte Halter sehr einfach als Einzel MPE oder als kompletter MPE-Achssatz montiert werden.

Die Erprobung der MPE stellte an die Validierung von RAPA Automotive völlig neue Herausforderungen.

Bereits frühzeitig wurde ein komplexer Funktionsprüfstand für das neue Produkt ausgelegt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Zudem mussten vielfältigste Prüfstände für die komplexen Prüfabläufe mit insgesamt acht Monaten Dauer pro Prüfschleife geplant und aufgebaut werden. Da das Gerät ebenso im elektrischen Fahrbetrieb genutzt werden sollte, stellte die Geräuschentwicklung der MPE eine extreme Herausforderung für die Serientauglichkeit des neuen Produktes dar. Nach intensiven Optimierungsschleifen aus simulativer und versuchstechnischer Arbeit in der Geräuschmesskammer von RAPA Automotive sowie begleitenden Bewertungen im Fahrzeug beim Kunden waren die nötigen Verbesserungen erreicht. Dabei wurden innerhalb der Optimierungsschleifen zahlreiche geräuschrelevante Details in der hydraulischen Maschine optimiert. Eine gewichtige Rolle kam dabei der Minimierung der Druckpulsation zu.