Zur DRIVE-E Akademie Vor- und Nachteile verschiedener Motorkonzepte für Fahrantriebe

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1 ELEKTROMOTOREN Zur DRIVE-E Akademie 2010 Vor- und Nachteile verschiedener Motorkonzepte für Fahrantriebe Dipl. Ing. (FH) Johannes Oswald

2 Elektromotoren GmbH, Miltenberg 5000 Hauptantriebe/a / Design / Entwicklung / Produktion / Service / 130 Mitarbeiter... von 10 bis 1000 kw... von 100 bis Nm... von 0 bis rpm

3 Überblick Gliederung - Vorbemerkungen, Beispiele, Probleme für Elektrofahrzeuge - Vergleich Verbrennungsmotor Elektromotor (Vor- und Nachteile) - Mögliche Antriebsausführungen von rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen - Vergleich unterschiedlicher Motortypen für elektrische Fahrantriebe

4 - PKW (Massenmarkt) - Stapler (der klassische Elektroantrieb) - Nutzfahrzeuge (Serieller Hybrid, paralleler Hybrid) - Kleinfahrzeuge (Fahrrad, Skooter, Rollstühle, Boote etc.) Beispiele: Elektrische Fahrzeuge

5 35 Jahre Hauptantriebe HTS? TFM? Vergangenheit Zukunft??

6 Problem: mobile Energie Faktor 10 Faktor 10

7 Problem: Magnetverfügbarkeit Stahl Kupfer Aluminium Neodym PM/TFM/HTS

8 Vorteil von Neodym-Magneten: - hohe Energiedichte - Temperaturstabilität - Korrosionsstabilität - hohe Verfügbarkeit Neodym Chance und Problem: kj/m³ NdFeB SmCo AlNiCo Ferrite

9 Elektromotor - Dieselmotor Wirkungsgrad Vorteile: - Wirkungsgrad 95% - max. Moment bei 0 U/min - Mmax = 2 bis 3 x M nenn - rückspeisefähig - weiter Drehzahlbereich - geräuscharm - vibrationsarm - hohe Lebensdauer - geringe Wartung - guter Teillastbereich - keine Abgase vor Ort Elektromotor Dieselmotor Nachteile: - Wirkungsgrad nur ca. 42% - kein Moment bei 0 U/min - nicht rückspeisefähig - mäßiger Drehzahlbereich - mittlere Geräusche - hohe Vibrationen - mäßige Lebensdauer - regelmäßige Wartung erforderlich - Schlechter Teillastwirkungsgrad - Abgase vor Ort Nachteile: - Problem: mobile Energie - Zusatzheizung erforderlich - Niedrige Kühltemperatur Vorteile: - Energie mobil verfügbar - ausreichend Heizwärme - hohe Kühltemperatur

10 Momentenverlauf, Gliederung Leistungsverlauf Leistung P Moment M Ankerstellbereich Feldschwächbereich Drehzahl Erste Näherung: V, m ~ M n

11 Dremoment am Rad in Nm Vergleich: GliederungMomentenverlauf E-Motor - Nenn E-Motor - Überlast Raddrehzahl in rpm

12 Antriebsausführungen Batterie, Umrichter Elektromotor Getriebe Zentralantrieb 1 x E-Motor + Schaltgetriebe Zentralantrieb 1 x E-Motor + Getriebe Rad(naben)antrieb 2 x E-Motoren + Getriebe Felgenantrieb 4 x E-Motoren Zentralantrieb 1 x E-Motoren Was suchen wir? hohe Kraftdichte (geringes Gewicht und Volumen) hoher Wirkungsgrad (energiesparend) stabil, wartungsfrei, geräuscharm Vergleich nach: - Motortypen - Kraftdichte - Wirkungsgrad - Kühlungsart - Kennwerte - mechanischer Aufbau

13 Motortypen Asynchron ASM PM Synchron SM Transversalfluß TFM Supraleitend HTS Weitere nicht betrachtete Motortypen: Gleichstrom, Scheibenläufer, Reluktanz, etc.

14 Kraftdichte / Wirkungsgrad: TFM / HTS 99,5% 98% / 98% 97% 96% 96% 94% 94% Asynchron Synchron Transversalfluß Supraleitend

15 Kühlung Achtung: Kühlung mit 100 C ist zunächst ungeeignet!! Luftkühlung: - oberflächengekühlt, fremdbelüftet - innenbelüftet, fremdbelüftet - Innenumluft eigenbelüftet Wasserkühlung: - Wassermantelkühlung (Edelstahl, Kupfer, Kunststoff) - Wasserbadkühlung, oberflächengekühlt - Rotorwasserkühlung mit Drehdurchführung Ölkühlung: - Ölmantelkühlung (schwarz) - Statorölkühlung (mit Luftspalttrennung) - Ölbadkühlung (innengekühlt Wicklung und Rotor) Stickstoffkühlung: - Statorstickstoffkühlung (oberflächen- und innengekühlt) - abgepumpte Stickstoffkühlung

16 Kühlung / Bauart (M = 500Nm = konst.) Bauhöhe Baulänge Volumen Gewicht Trägheitsmoment ASM Normmotor, eigenbelüftet ASM außenbelüftet ASM wassergekühlt SM wassergekühlt Torque wassergekühlt

17 Aufbau - Statorwicklung Verteile Wicklung Konzentrierte Wicklung (Zahnspule) - q > 1 - niedrige Polzahl - für hohe Drehzahl - Träufelwicklung - Füllfaktor 43% - großer Wickelkopf - reduzierte Rotorverluste - guter Leistungsfaktor - automatisierte Fertigung - q < 1 - hohe Polzahl - für niedrige Drehzahl - Zahnspule - hoher Drahtfüllfaktor ( 60%) - kleiner Wickelkopf - Zusatzverluste Ober/Unterwellen - schlechterer Leistungsfaktor - hoch automatisierbare Fertigung ASM, SM SM

18 Aufbau Rotorvarianten ASM SM SM SM - kostengünstig - keine Bandage/Klebung nötig - keine Magnete - gut feldschwächbar - relativ kostengünstig - große Hohlwelle möglich - geringe Rotorverluste - geringe träge Masse - keine Bandage nötig - keine Klebung nötig - große Hohlwelle möglich - reduzierte Rotorverluste - Feldkonzentration - kleiner Luftspalt - reduzierte Rotorverluste - gut feldschwächbar - Rotorverluste - nur kleine Hohlwellen möglich - hohe träge Masse - hochpolig nicht möglich - Bandage erforderlich - gute Klebung erforderlich - mittlere träge Masse - geblecht, relativ teuer - höhere träge Masse - keine große Hohlwelle - geblecht relativ teuer

19 Aufbau - TFM / HTS Wirkprinzip: wie Synchronmaschine - hohe Momentendichte - kleine I²R-Verluste (kein Wickelkopf) - höherer Fertigungsaufwand - Eisenverluste (hohe Frequenzen) - neue Umrichterentwicklung erforderlich - hohe Geräusche - sehr hohe Momentendichte - Verluste nahe 0 - hohe Kosten - Aufwand Stickstofftemperatur ( PM oder HTS Rotor ) ( HTS oder normalleitender Stator )

20 Elektromotoren als Fahrantriebe Asynchronmotor Synchronmotor Transversalflußmotor Supraleitender Motor niedrige Kosten hohe Kraftdichte hohe Feldschw. einfache Umrichter einfache Kühlung hoher Wirkungsgrad geringe Geräusche Verfügbarkeit erprobte Technik ASM SM TFM HTS

21 Antriebsausführungen (Auswahl) Batterie, Umrichter Elektromotor Getriebe Zentralantrieb 1 x E-Motor + Schaltgetriebe Zentralantrieb 1 x E-Motor + Getriebe Rad(naben)antrieb 2 x E-Motoren + Getriebe Felgenantrieb 4 x E-Motoren Zentralantrieb 1 x E-Motoren hohe Drehzahl keine Feldschwächung hohe Drehzahl hohe Feldschwächung niedrige Drehzahl hohe Feldschwächung minimales Gewicht niedrige Drehzahl hohe Feldschwächung minimales Gewicht Mögliche Motortypen: ASM, SM, TFM SM (Zahnspule) HTS (Zahnspule)

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