Optimierung des Teillast-Wirkungsgrades elektrischer Antriebe

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1 Yokogawa Power-Meter Seminar 19. April 2012 Optimierung des Teillast-Wirkungsgrades Dieter Gerling, Klaus Mühlbauer Universität der Bundeswehr München Gurakuq Dajaku FM GmbH, Neubiberg, Germany

2 In den meisten Anwendungsfällen ist der Teillastbetrieb t i b entscheidend d Beispiele: Pumpen und Lüfter in der Industrie Haushaltsgeräte Windkraftgeneratoren Traktionsantriebe (z.b. Automobilindustrie)

3 Traktionsantriebe Gehirn: IKT ( bits and bytes don t move you forward ) Herz: Batterie, Leistungselektronik Beine: E-Motor

4 Übersicht Optimierung des Teillast-Wirkungsgrades Anforderungen und Randbedingungen Optimierung i des Teillast-Wirkungsgrades Optimierung des E-Motors Optimierung der Leistungselektronik Systemsimulation Wirtschaftliche Auswirkungen Zusammenfassung

5 Charakteristische Betriebspunkte m] torque [N kw 75 kw 125 kw reference point torque / Nm speed / min -1 1 (maximum power) (high load) (high load) (high load) (climbing) (climbing) (FTP cycle) (FTP cycle) (FTP cycle) (FTP cycle) speed[rpm]

6 Randbedingugen für den Vergleich verschiedener E- Motoren maximale Spannung: 300V maximales Kurzzeit-Drehmoment: 4700rpm maximale Drehzahl: rpm Drehmomentwelligkeit: it < 5% (bei niedriger i Drehzahl) hl) Temperatur: Stator 100 C, Rotor 70 C aktives Volumen: Statoraußendurchmesser 220mm, Blechpaketlänge130mm Luftspalt: 1mm gleiches Magnetvolumen, Kupfergewicht, Eisenmaterial und -volumen gleiche maximale mechanische Belastung gleiche Entmagnetisierungsfestigkeit

7 Vor- und Nachteile verschiedener Wicklungstopologien Verteilte Wicklung (Standard): - sinusförmige Feldverteilung - hohe Anzahl von Nuten pro Pol - große Wickelköpfe; hohe parasitäre Endeffekte - hohe Kupferverluste - hohe Produktionskosten Konzentrierte Wicklung: - kompaktes Design - kurze, wenig komplexe Wickelköpfe - geringe Kupferverluste - geringe Produktionskosten - große goßeanzahl hoher Feldoberwellen e e

8 Vor- und Nachteile verschiedener Wicklungstopologien

9 Konzentrierte Wicklung mit verbesserten Eigenschaften Verluste MMF der Standard 12/10-Maschine MMF der verbesserten 12/10-Maschine

10 Lösung: unterschiedliche Windungszahlen innerhalb einer Spule Quelle: Patent der FM GmbH Alternative Lösungen sind möglich

11 Vergleich der Rotor (Magnet) Verluste no-load conv. winding, under load new winding, under load Edd dy Current Los ss [ W ] speed [ rpm]

12 Verteilung der Wirbelstromverluste in Oberflächenmagneten Standard 12-Nuten / 10-Pole Wicklung Verbesserte 12-Nuten / 10-Pole Wicklung

13 24 Nuten / 10 Pole vs. 12 Nuten / 10 Pole Verluste Radialkräfte akustische Geräusche MMF der Standard 12/10-Maschine MMF der 24/10-Maschine

14 Resultierende MMF für zwei Wicklungssysteme distribution factor

15 Realisierung Schritt 1: Reduktion der 7. Harmonischen 12 Nuten / 10 Pole MMF Verdoppelung der Nutenzahl zusätzliche konzentrierte Wicklung Verschobene Wicklungssysteme MMF Harmonics Kombination Quelle: Patent der FM GmbH

16 Realisierung Schritt 2: Reduktion der 1. und 7. Harmonischen 1. Komplette Reduktion der 7. Harmonischen durch unterschiedliche Zahnbreiten 2. Reduktion der 1. Sub-Harmonischen durch: unterschiedliche Windungszahl innerhalb einer Spule Alternative Lösungen sind möglich MF Harmonics MM Quelle: Patent der FM GmbH Space Harmonics

17 Realisierte Maschine

18 Verschiedene Maschinendesigns 12-slots / 10-poles PM machine 24-slots / 10-poles PM machine 48-slots / 8-poles PM machine Concentrated winding with q = 0.4 New winding with q = 0.8 Distributed winding with q = 2 MMF Harm monics MMF Harm onics MMF Harmo onics

19 Standard-Maschine und neues Maschinendesign Standard Design 3 phases 48 stator slots 8 poles (q=2) buried magnets distributed winding with short-pitch of 1 slot New Machine Design 3 phases 24 stator slots 10 poles buried magnets new development started from initial well-known 12 slots / 10 poles version doubled stator slots with shifted winding topology

20 Vergleich des Maximalmomentes

21 Vergleich der Drehmomentwelligkeit (ohne Schrägung) Standard Maschine Neues Maschinendesign (Welligkeit 16%) ) (Welligkeit 3%) )

22 Vergleich des Wirkungsgrades Standard Maschine Neues Maschinendesign

23 Wirkungsgrad-Differenz

24 CADC-Zyklus: Drehmoment und Drehzahl versus Zeit

25 Systemsimulation

26 Systemsimulation

27 Systemsimulation

28 Kumulative Energieverluste der Elektrischen Maschine (im CADC-Zyklus) 7 x 105 Energy losses of electric machine 6 Standard Motor -16% 5 Energy [J] DA-PM1 Neues Motordesign DA-PM Time [s] Im FTP 72 - Zyklus: ca. -20% (Verlustreduktion)

29 Modell der Leistungselektronik Differential resistance of transistor: rt Differential resistance of diode: rd Threshold voltage of transistor: UT0 Threshold voltage of diode: UD0 Switching on & off losses of transistor: Eon, Eoff Switching off losses of diode: Erec Forward characteristics Switching characteristics P ctd IGBT diode IGBT diode u ˆ 1 cos 1 cos ˆ2 I rtdi I TD 0 P E 1 ( it ) d 2 s f S E 1 ( it ) d 2 ont offt E rec ( i D U ) d U DC DCref

30 Validierung des Modells durch Messungen farbig: Messwerte dunkelblau: nicht gemessen * * * * : Fahrzyklus gute Übereinstimmung zwischen Messwerten und Berechnungen

31 Validierung des Modells durch Messungen 8 x 105 Energy losses of power electronic 7 gute Übereinstimmung zwischen Messwerten und Berechnungen 6 5 Energy [J] Measurement Calculation Time e[s]

32 Kumulative Energieverluste der Leistungselektronik (im CADC-Zyklus) x 105 Energy losses of power electronics Standard Motor Energy [J] % 2 DA-PM1 1 Neues Motordesign DA-PM Time [s]

33 Untersuchung verschiedener IGBT-Generationen 12 x 105 Energy losses of power electronics Standard Motor, IGBT Gen 2 10 Standard Motor, IGBT Gen 3 8 Energy [J J] 6 Neues Motordesign, IGBT Gen 2 4 Neues Motordesign, IGBT Gen DA-PM1 IGBT2 DA-PM1 IGBT3 DA-PM2 IGBT2 DA-PM2 IGBT Time [s] Verbesserungen gelten auch für neue IGBT-Generation Generation

34 Teillast-Optimierte Leistungselektronik Ansteuerung Control T 1 D 1 Treiber Driver Optimierung hinsichtlich der Verteilung von Schaltverlusten und Leitverlusten

35 Kumulierte Energieverluste der Leistungselektronik (im CADC-Zyklus) Standard Motor, IGBT Gen 3 x10 5 Energy losses of power electronics 10 9 Standard Leistungselektronik % En nergy [J] matched Neue Leistungselektronik optimized Time [s]

36 Kumulierte Energieverluste der Leistungselektronik (im CADC-Zyklus) neues Motordesign, IGBT Gen 3 x Energy losses of power electronics 8 Standard Leistungselektronik 7 Ene ergy [J] % Neue Leistungselektronik 1 matched optimized Time [s]

37 Wirtschaftliche Auswirkungen Randbedingung: gleiches Material, deshalb gleiche Materialkosten geringere Motorkosten wegen geringere Nutenzahl, vereinfachtes Wicklungsdesign keine Schrägung notwendig geringere e Verluste geschätzt: -10% geringere Leistungselektronikkosten wegen geringeres Stromniveau geringere Verluste geschätzt: -10% geringere Batteriekosten wegen geringere Verluste in Motor und Leistungselektronik geschätzt: t -1.5% 15%

38 Wirtschaftliche Auswirkungen (cont d) beispielhafte Abschätzung: Batteriefahrzeug heutige Kosten des elektrischen Antriebsstranges mit Standard Motor: ,- (20% Motor, 30% Leistungselektronik, 50% Batterie) Reduktion mit neuem Antriebsstrang auf: ,- Angenommenes jährliches Produktionsvolumen: jährliche EINSPARUNGEN: 69 Mio.

39 Zusammenfassung neues E-Motor Design mit herausragenden Eigenschaften hohes Drehmoment, geringe Drehmomentwelligkeit hoher h (Teillast-) )Wik Wirkungsgrad neue Leistungselektronik mit Optimierung des Teillast- Wirkungsgrades g besondere Vorteile in typischen Fahrzyklen Kostenreduktion bei Motor Leistungselektronik Batterie hohe Einsparungen für den gesamten elektrischen Antriebsstrang Design von E-Motor und Leistungselektronik ist auch anwendbar auf elektrisch erregte Synchronmaschinen hi und Asynchronmaschinen hi