Re-Engineering: VW APP550

Teil 1: Rekonstruktion der Geometrie und Wirkungsgradkennfeld

Motivation: Neugier als Ausgangspunkt

Manchmal beginnen technische Projekte nicht mit einem Lastenheft, sondern mit einer einfachen Frage. Nach der detaillierten Zerlegung der Volkswagen-APP550-Antriebseinheit durch Munro & Associates stellte sich die Frage: Wie nah kommt man der realen Maschine, wenn man ausschließlich öffentlich verfügbare Informationen nutzt? Keine OEM-CAD-Daten, keine internen Daten, keine Prüfstandsmessungen – nur Bilder, Videos und ingenieurmäßige Beurteilung.

Von Bildern zur Geometrie: Rekonstruktion der Maschine

Das FEM-Modell basiert vollständig auf öffentlichen Quellen:

Zerlegungsvideos und hochauflösenden Bildern
öffentlich zugänglichen Präsentationen und Veröffentlichungen
Fotos physischer Schnittmodelle, unter anderem von Exponaten der PCIM Europe 2024

Aus diesen Quellen wurde die Maschinengeometrie Schritt für Schritt rekonstruiert und in ein 2D-FEA-Modell überführt. Absolute Maßgenauigkeit ist unrealistisch, aber eine physikalisch konsistente Näherung ist erreichbar.

Wichtige Modellannahmen:

Elektroblech: NO20
Magnetmaterial: N52-EH
Magnettemperatur: 100 °C
Zwischenkreisspannung: 380 V

Diese Annahmen beeinflussen die Ergebnisse stark und werden deshalb ausdrücklich genannt. Details der rekonstruierten Geometrie sind dem bereitgestellten Bild zu entnehmen.

Ergebnisse: Ein berechnetes Wirkungsgradkennfeld

Mithilfe des Modells wurde ein Wirkungsgradkennfeld der elektrischen Maschine berechnet. Beim Vergleich zeigte sich, dass maximales Drehmoment, Basisdrehzahl, das Erreichen der Maximalleistung sowie die Lage des Wirkungsgradmaximums starke Ähnlichkeiten mit dem von Alexander Bloch veröffentlichten Kennfeld in dessen Analyse der APP550-Antriebseinheit aufweisen.

Natürlich bleiben Fragen offen:

Sind die Randbedingungen wirklich vergleichbar?
Sind Material- und Temperaturannahmen korrekt?
Welche Rolle spielen Details der Kühlung?

Trotzdem wird das grundlegende Maschinenverhalten überraschend gut erfasst.

Weitere Ergebnisse:

Für die 400-V-Maschine wurde angenommen, dass ein maximaler Effektivstrom von 820 A erforderlich ist, um das maximale Drehmoment zu erreichen. Das deutet auf eine maximale Effektivstromdichte von unter 25 A/mm² hin. Angesichts des Aufwands zur Temperaturbeherrschung des Motors, etwa durch Mantelkühlung und Ölsprühkühlung, ist dies eine realistische Stromdichte und stimmt gut mit Forschungsergebnissen überein. (Dissertation F. Hoffmann).

Teil 2: Fluss- und Drehmomentkennfelder im dq-Bezugssystem

Nach der Analyse von Geometrie und Wirkungsgradkennfeldern in Teil 1 richtet sich der Blick nun auf die elektromagnetischen Details der Maschine. Dieser Abschnitt behandelt die dq-Kennfelder: warum sie für Auslegung und Betrieb unverzichtbar sind und welche charakteristischen Verhaltensweisen sich bei genauer Analyse zeigen.

1️⃣ Warum dq-Kennfelder?

Flussverkettungskennfelder im dq-Bezugssystem bilden die Grundlage für die Auslegung und Regelung hoch ausgenutzter, nichtlinearer elektrischer Maschinen:

Zusammen mit Drehmomentkennfeldern erlauben sie die direkte Ableitung von MTPA-Strategien (Maximum Torque per Ampere).
Die erforderliche Spannung bei verschiedenen Drehzahlen lässt sich effizient bestimmen.
Optimale Betriebspunkte können systematisch unter Berücksichtigung von Spannungsgrenzen identifiziert werden.
Für nichtlineare Maschinen sind dq-Kennfelder eine Voraussetzung für stabile und robuste Regelstrategien.

2️⃣ Zentrale Beobachtungen aus den Kennfeldern

Die Maschine zeigt stark nichtlineares Verhalten und weicht deutlich von einfachen linearen dq-Modellannahmen ab.
Besonders bei den Flussverkettungen in d-Achsen-Richtung wird sichtbar, dass die Permanentmagnete das Eisen bereits stark sättigen. Diese Effekte sind auch in der inneren Flussdichteverteilung der Maschine im Leerlauf klar erkennbar.
Es treten ausgeprägte Kreuzkopplungseffekte auf: Änderungen des q-Achsen-Stroms beeinflussen den d-Achsen-Fluss erheblich – ein eindeutiges Zeichen hoher magnetischer Sättigung.
Die Drehmomentkennfelder zeigen einen erheblichen Reluktanzdrehmomentanteil. Das maximale Drehmoment wird bei deutlich negativem d-Achsen-Strom erreicht.

Teil 3: Ströme, Spannungen und Betriebsgrenzen

Nach der Analyse von Geometrie, Wirkungsgrad sowie Fluss- und Drehmomentkennfeldern konzentriert sich dieser Abschnitt auf die tatsächlichen Betriebspunkte der Maschine im Drehzahl-Drehmoment-Bereich. Die zentrale Frage lautet: Wie entwickeln sich die realen Strom- und Spannungsanforderungen der Maschine mit Drehzahl und Drehmoment, und wo liegen die grundlegenden Betriebsgrenzen?

d- und q-Betriebspunkte

Die ersten Abbildungen zeigen die resultierenden d- und q-Achsen-Ströme als Funktion von Drehzahl und Drehmoment, begrenzt durch den zulässigen Betriebsbereich der Maschine. Bis zur Basisdrehzahl wird die Maschine mit einer MTPA-Strategie betrieben, bei der der d-Achsen-Strom stark negativ ist. Dieses Verhalten ist eine direkte Folge des bereits zuvor identifizierten ausgeprägten Reluktanzdrehmomentanteils. Mit steigender Drehzahl verschiebt sich der Betriebspunkt deutlich:

Der d-Achsen-Strom wird weiter reduziert, um die induzierte Spannung zu begrenzen.
Das Drehmoment sinkt, während die mechanische Ausgangsleistung annähernd konstant bleibt. Das markiert den Übergang in den Feldschwächbereich.

Phasenstrom im Betrieb

Das Phasenstromkennfeld veranschaulicht den Strombedarf über Drehzahl und Drehmoment:

Ein maximaler Effektiv-Phasenstrom von 820 A ermöglicht ein Spitzendrehmoment von 545 Nm im Bereich der Basisdrehzahl (n < 4000 rpm).
Bei höheren Drehzahlen sinkt das Drehmoment, während der Phasenstrom nahezu konstant bleibt.
Aufgrund der Spannungsbegrenzungen des Systems kann die volle Stromfähigkeit jedoch nicht bis zur Maximaldrehzahl genutzt werden.

dq-Spannung und Spannungsgrenze

Das Betriebskennfeld der Spannungen zeigt den Betrag der dq-Spannung über Drehzahl und Drehmoment:

Bis zur Basisdrehzahl steigt die erforderliche Spannung nahezu linear mit der Drehzahl.
Darüber hinaus bleibt die Spannung fast konstant, was darauf hinweist, dass die Spannungsgrenze des Systems erreicht ist.
In diesem Bereich wechselt die Regelstrategie von MTPA zu MTPV (Maximum Torque per Volt), sodass der gesamte Drehzahlbereich genutzt werden kann, ohne die Batteriespannungsgrenzen zu überschreiten.

Bedeutung für die Magnetauslegung

Die hohen negativen d-Achsen-Ströme im Feldschwächbereich stellen hohe Anforderungen an die Permanentmagnete. Insbesondere ist eine hohe Koerzitivfeldstärke notwendig, um eine ausreichende Entmagnetisierungsfestigkeit sicherzustellen – ein Aspekt, der im nächsten Teil der Reihe näher untersucht wird.

Teil 4: Magnet-Betriebspunkte, H-Feld und Entmagnetisierungsreserve

Der vorherige Abschnitt hat einen zentralen Punkt klar gezeigt: Optimale Leistung erfordert vergleichsweise hohe negative d-Achsen-Ströme. Diese Ströme wirken dem Magnetfluss entgegen und verschieben den Betriebspunkt der Permanentmagnete in Richtung Entmagnetisierung. In Teil 4 wird dieser Effekt genauer untersucht und das daraus resultierende Entmagnetisierungsrisiko bewertet.

Magnet-Betriebspunkte unter Last

Die Abbildungen zeigen die magnetische Feldstärke H parallel zur Magnetisierungsrichtung innerhalb der drei Rotormagnete eines Polpaares. Die Auswertung erfolgt am Eckbetriebspunkt der Maschine:

Drehzahl: 4000 rpm
Drehmoment: 545 Nm

Dieser Betriebspunkt stellt eine sehr anspruchsvolle Kombination aus hohem Drehmoment und starker Feldschwächung dar. Die drei Bilder zeigen denselben Betriebszustand bei unterschiedlichen Magnettemperaturen:

100 °C
150 °C
180 °C

Pink markierte Bereiche kennzeichnen Zonen, in denen das lokale Magnetfeld während einer elektrischen Periode unter den Kniepunkt der Entmagnetisierungskurve fällt. Die Auswertung basiert auf öffentlich verfügbaren Materialdaten für Permanentmagnete der Bomatec Group.

Entmagnetisierungsverhalten und lokale Effekte

Eine wichtige Beobachtung ist, dass selbst bei 180 °C die Entmagnetisierung hauptsächlich ein lokaler Randeffekt an den Magnetkanten bleibt. Unter diesen extremen Bedingungen sind nur etwa 3 % des gesamten Magnetvolumens von lokaler Entmagnetisierung betroffen. Dieses Verhalten deutet auf einen gut ausbalancierten Entwurf zwischen Leistungsanforderungen und magnetischer Robustheit hin.

Materialwahl und Entmagnetisierungsreserve

Unter der Annahme einer Magnet-Temperaturklasse im EH-Bereich weist das gewählte Material auch bei erhöhten Temperaturen eine hohe Koerzitivfeldstärke auf. Bei einer angenommenen maximalen kontinuierlichen Magnet-Betriebstemperatur von ungefähr 150 °C ist im Normalbetrieb keine bleibende Entmagnetisierung zu erwarten. Die Materialwahl ist damit gut an die hohen Anforderungen durch Feldschwächbetrieb und aggressive d-Achsen-Stromregelung angepasst.

Rotortemperatur im realen Betrieb

Ohne explizite Fehlerszenarien oder außergewöhnliche Überlastfälle zu berücksichtigen, liegt die maximal berechnete Rotortemperatur in diesem Aufbau ungefähr zwischen 150 °C und 180 °C. Aus Erfahrung ist im Normalbetrieb eher eine Temperatur nahe 150 °C zu erwarten, da wirklich kritische thermische Belastungen typischerweise erst bei Fehlerzuständen wie unkontrollierten Stromereignissen auftreten. Gerade deshalb muss die Entmagnetisierungsanalyse ein integraler Bestandteil der Auslegung und Validierung elektrischer Maschinen sein.

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Teil 5: Magnet-Betriebspunkte, H-Feld und Entmagnetisierungsreserve im Fehlerfall

In Teil 4 wurde gezeigt, dass hohe negative d-Achsen-Ströme im Normalbetrieb kein kritisches Risiko für die Permanentmagnete darstellen. Doch was passiert bei einem realen Fehlerfall? Um dies zu beantworten, wurde das Verhalten bei einem aktiven Kurzschluss (ASC) bei konstanter Drehzahl untersucht, einschließlich transienter und stationärer Fehlerströme sowie der daraus resultierenden Magnet-Betriebspunkte.

1. Aktiver Kurzschluss bei konstanter Drehzahl

Die Analyse wird durchgeführt bei:

Drehzahl: 4000 1/min
Magnettemperatur: 150 °C

Dies stellt eine realistische, aber anspruchsvolle Bedingung dar.

2. Transiente Fehlerströme

Unmittelbar nach Auslösung des aktiven Kurzschlusses treten sehr hohe Stromspitzen auf:

Spitzenstrom: etwa 2100 A
Übergang in den stationären Zustand: nach etwa 40 ms

Das magnetische Risiko entsteht in dieser anfänglichen transienten Phase. Die extrem hohen negativen d-Achsen-Ströme (id < –2000 A) verschieben den Magnet-Betriebspunkt tief in den Entmagnetisierungsbereich. Deshalb wurden die ersten 20 ms des Ereignisses mit FEM ausgewertet, um die kritische Feldentwicklung innerhalb der Rotormagnete zu erfassen.

3. Stationärer Fehlerstrom

Nachdem die transienten Schwingungen abgeklungen sind, stellt sich bei 4000 1/min ein stationärer Kurzschlussstrom ein. Dieses Stromniveau liegt ungefähr im Bereich des Nennstroms und damit innerhalb der elektrischen Auslegungsgrenzen von Maschine und Umrichter. Rein thermisch betrachtet ist der stationäre aktive Kurzschluss daher nicht zwangsläufig kritischer als der Nennbetrieb. Das eigentliche Risiko liegt in der transienten elektromagnetischen Belastung.

4. Magnet-Betriebspunkt während des Fehlers

Die FEM-Ergebnisse zeigen, wie sich die magnetische Feldstärke in den Rotormagneten während der ersten Millisekunden nach Fehlerbeginn entwickelt. Wenn id unter –2000 A fällt und die Magnettemperatur 150 °C beträgt:

fallen große Bereiche des Magneten unter den zulässigen Kniepunkt,
wird ein erheblicher Teil des Magnetvolumens in den Bereich irreversibler Entmagnetisierung gedrückt.

Unter diesen Randbedingungen kann ein permanenter Rotorschaden nicht ausgeschlossen werden.

5. Konsequenzen für die Systemauslegung

Die Ergebnisse lassen mehrere Interpretationen zu:

Die angenommene Rotortemperatur von 150 °C könnte konservativ sein; die reale Betriebstemperatur könnte niedriger liegen.
Der aktive Kurzschluss ist möglicherweise nicht als überlebbarer Fehlerfall definiert.
Das primäre Auslegungsziel könnte Systemsicherheit statt Maschinenerhalt sein.

Persönliche Einschätzung

Es ist gut vorstellbar, dass irreversible Magnetschäden bei einem aktiven Kurzschluss als akzeptabel angesehen werden, solange keine sicherheitskritischen Folgewirkungen auftreten. Permanentmagnete mit deutlich höherer Koerzitivfeldstärke bei vergleichbarer Energiedichte sind derzeit nur mit erheblichen Nachteilen verfügbar, etwa bei:

Leistungsdichte
Kosten
Materialverfügbarkeit

Eine wesentliche Erhöhung der Fehlerfestigkeit würde daher Kompromisse erfordern, die wirtschaftlich möglicherweise nicht vertretbar sind.