Beitrag von FEMAG zur Optimierung der Ausnutzung des Wechselrichters in Lenkungsantrieben durch Identifikation von Längs- und Querinduktivitäten

Transkript

1 Beitrag von FEMAG zur Optimierung der Ausnutzung des Wechselrichters in Lenkungsantrieben durch Identifikation von Längs- und Querinduktivitäten Dipl.-Ing. Torsten Voigt Dr.-Ing. Karl-Hermann Ketteler Dipl.-Ing. Joachim Engel ZF Friedrichshafen AG

2 Inhalt 1. Unternehmen ZF Friedrichshafen AG 2. Elektrische Traktionsantriebe bei ZF 3. Elektrische Stellantriebe bei ZF 4. Motivation zum Einsatz von FEMAG am Beispiel eines Lenkungsantriebs 5. Messung von Längs- und Querinduktivität 6. Berechnung von Längs- und Querinduktivität mithilfe von FEMAG 7. Berechnung der Reluktanz mithilfe von FEMAG und Verifikation OTEE2 2

3 Kennzahlen Konzern 2011 ZF-Konzern im Überblick /2010 Umsatz Mio. 20 % Mitarbeiter (Jahresende) % Investitionen Mio. 82 % Aufwendungen für FuE 754 Mio. 17 % 121 Produktionsgesellschaften in 27 Ländern 8 Hauptentwicklungsstandorte in 4 Ländern OTEE Servicegesellschaften und über 650 Servicepartner

4 Zentrale Technik E-Drives und Elektronik E-Drives und Elektronik Günther Horsak Friedrichshafen Software E-Antriebe E-Maschinen & Energiespeicher Leistungselektronik ECU-NKW ECU-PKW OTEE2 4

5 Entwicklungs-Highlight Pkw Verbrauchseinsparungen durch ZF-Automatgetriebe -5 % -3 % -6 % -5 % -15 % bis -25 % Beispiel:CO 2 -Reduzierung Limousine 2,5 V6, NEFZ OTEE g/km 169 g/km 161 g/km 144 g/km 127 g/km 5-Gang 6-Gang 6-Gang 8-Gang 8-Gang 8-Gang 8-Gang 1. Generation 2. Generation Start-Stopp (HIS ) Mildhybrid Fullhybrid

6 ZF Hybrid Antriebe Einige aktuelle Entwicklungsprojekte ZF Komponenten und Systeme für Hybrid-Fahrzeuge Pkw Bahn Bus Landmaschine OTEE2 6 Trucks

7 Elektrische Antriebstechnik Stellantriebe Elektrolenkung Servoelectric Aktivlenkung Col um Col n um n Torque Sensor Tor qu e Se ns or Red uctio n Gear Ritzel Hinterachsgetriebe Vector Drive Hinterachsdifferential Getriebeautomatisierung für PKW und Vans OTEE2 7 ECU E C U E-Maschine Zahnstange E C U Kugelmutter M ot or Zahnriemen R a c k

8 Lenkungsmaschine Motivation zum Einsatz von FEMAG Applikation OTEE2 8 Elektrischer Lenkungsantrieb Einsatzprofil/Anforderungen Idee Laufruhe und Geräuscharmut vorrangig Ausnutzung der Maschine wichtig Zunächst scheint aufgrund der Einzelzahnwicklung und der Rotorformgebung keine Reluktanz zu existieren Entlastung der Leistungselektronik Nutzung des Reluktanzmomentes Ermittlung der Induktivitäten der Maschine in d- und q-richtung Reduzierung des Strombedarfs der elektrischen Maschine bei gleichem Moment bzw. bessere Ausnutzung Verallgemeinerung und Ausdehnung auf Traktionsmaschinen Abb.: Lenkungsmaschine im frühen Musterstand

9 Lenkungsmaschine FEMAG-Modell *) im ersten Schritt Ld-Lq-Identifikation wählen OTEE2 9 **) im zweiten Schritt erst die Momentberechnung wählen

10 Messung Längs- und Querinduktivität Messung Längs- und Querinduktivität (1) Bestromung des Stators bei festgebremstem Rotor mit kleinen Frequenzen Impedanzmessung bei verschiedenen Rotorstellungen Alternativ: Messung der Längsinduktivität durch Kurzschlussstrommessung OTEE2 10

11 Messung Längs- und Querinduktivität (2) Längsinduktivität Ld Querinduktivität Lq 200% 200% bezogene Induktivität Ld 100% bezogene Induktivität Lq 100% Phasenstrom in Arms Messung Ld (SW=2,9mm) Rechnung Ld (SW=2,9mm) Rechnung Ld (SW=3,9mm) Phasenstrom in Arms Messung Lq (SW=2,9mm) Rechnung Lq (SW=2,9mm) Rechnung Lq (SW=3,9mm) OTEE2 11

12 Berechnung und Messung Reluktanzeffekt relatives Moment = f(β) bei 40 Arms relatives Moment = f(β) bei 80 Arms relatives Moment Mmax/M0 -8,10 -6,75 1,1 1 0,9 0,8 0,7 relatives Moment Mmax/M0 -11,75 -11,25 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0, Winkel β in 0, Winkel β in Rechnung 40Arms Messung 40Arms Rechnung 80Arms Messung 80Arms *) Messung durch Vorgabe Iq und Rückrechnung auf Id durch β-variation OTEE2 12

13 Berechnung für variable Ströme Reluktanzeffekt 1,1 1 -6,75 -11,25 -15,00 -23,25 relatives Moment Mmax/M0 0,9 0,8 Faktor ki=m/i 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 1,18 1,17 1,16 1,15 1,14 1,13 1,12 1,11 Verhältnis Lq/Ld 0,7 0 1, Strom in Arms ki für Iq ki für Iph Lq/Ld für Iph 0, Winkel β in 40 Arms 80 Arms 120 Arms 160 Arms OTEE2 13

14 Zusammenfassung Untersuchung einer elektrischen Maschine für eine PKW-Lenkung 8-polige Permanentmagneterregte Synchronmaschine mit Einzelzahnwicklung Durch Rechnung im FEMAG und Messung konnte nachgewiesen werden, dass eine elektrische Maschine, die nicht auf Reluktanz ausgelegt ist, ein beträchtlicher Zuwachs an Moment durch Reluktanz erzielbar ist das Reluktanzmoment auch praktisch nutzbar ist bei hohen Strömen Sättigungseffekte durch Reluktanz teilweise kompensierbar sind Ausblick Aufwand-Nutzen-Verhältnis bei der untersuchten Applikation gering Rechnung der Maschinengleichungen auf dem Steuergerät ressourcenintensiv Lookup-Table mit von Strom, Spannung, Drehzahl, etc. sprengt Speicher Durch Gewichtungsänderung der Auslegungskriterien lässt sich bei elektrischen Maschinen mit Einzelzahnwicklung ein bemerkenswerter Reluktanzanteil erzielen, der evtl. für Traktionsantriebe von Bedeutung ist Potentiale werden untersucht OTEE2 14

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! OTEE2 15