1 Auszug aus em Vorlesungsskript Fahrzeugkonzepte von Prof. Horst Frierich, DLR Institut für Fahrzeugkonzepte erstellt von Volker Bosch, Institut für Fahrzeugkonzepte, Abt. AEW 4.8 Elektro-magnetische Energiewanler 4.8.1 Grunlagen Die elektromagnetische Energiewanlung wir urch ie folgenen Gleichungen beschrieben: Das Inuktionsgesetz stellt en Zusammenhang zwischen er Änerung es Magnetfeles un er aurch inuzierten elektrischen Felstärke E beziehungsweise er elektrischen Spannung u ar. Φ i w=4 u Inuktionsgesetz.fig Abbilung 4.1: Anwenung es Inuktionsgesetzes: Inuktion er Spannung u in einer Spule mit w Winungen urch en veränerlichen magnetischen Fluss Φ. oer in er Integralform rot E = B t c E s = Φ t (4.1) (4.2)
2 Der magnetische Fluss Φ, er ie Fläche A urchsetzt, ist efiniert als as zweiimensionale Integral er magnetischen Flussichte B über ieser Fläche A. B A = Φ (4.3) A In er Technik wir für as Inuktionsgesetz oftmals ie folgene Schreibweise verwenet: u i = w Φ t (4.4) u i stellt ie in einer Wicklung mit w Winungen inuzierte Spannung ar, ausgelöst von er zeitlichen Änerung es magnetischen Flusses Φ, er iese Wicklung urchsetzt. Das Minuszeichen soll aneuten, ass ie Richtung er Spannung stets so orientiert ist, ass er urch sie erzeugte Strom er Änerung es magnetischen Flusses Φ entgegen wirkt (Lenz sche Regel). Das Durchflutungsgesetz beschreibt en Zusammenhang zwischen em elektrischen Strom I, bzw. er Durchflutung Θ un er magnetischen Felstärke H. Im magnetischen Fel ist er Wirbel er magnetischen Felstärke H gleich er Stromichte J. J A s H Abbilung 4.2: Anwenung es Durchflutungsgesetzes Integrations weg c Durchflutungsgesetz.fig Oer in er Integralform c rot H = J (4.5) H s = A J A = Θ (4.6) Das geschlossene Linienintegral über er magnetischen Felstärke stellt ie Durchflutung Θ ar. Diese ist ie Summe er von em Ringintegral umschlossenen Ströme. In technischen
3 Anwenungen ist ie Durchflutung Θ, ie von einer Wicklung erzeugt wir, as Proukt aus Winungszahl w un Leiterstrom I. Der Zusammenhang zwischen magnetischer Felstärke H un magnetischer Flussichte B wir urch ie Materialeigenschaften er Materie bestimmt, ie vom Magnetfel urchsetzt wir. B = µ r µ 0 H (4.7) Die absolute Permeabilität, bzw. ie Permeabilität es Vakuums µ 0 ist efiniert als µ 0 = 4π10 7 Vs/Am (4.8) Die relative Permeabilität µ r ist eine Eigenschaft es von em Magnetfel urchsetzten Materials. Im Vakuum un, in guter Näherung auch in Luft, ist µ r = 1. In ferromagnetischen Werkstoffen, wie Eisen, Kobalt oer Nickel kann µ r sehr große Werte von mehr als 10000 annehmen. Jeoch ist ie relative Permeabilität nicht konstant, sonern hängt von er Sättigung es Materials ab. Der genannten Wert gilt also nur am Anfang er Magnetisierungskurve. Abbilung 4.8.1 zeigt eine typische Magnetisierungskurve von Trafoblech. Die Permeabilität es Materials entspricht er Steigung er Kurve. 2 EBG Stabocor M350 1.8 1.6 magnetische Flussichte B (T) 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 magnetische Felstaerke H (A/m) Abbilung 4.3: Magnetisierungskurve von Trafoblech Die Lorentzkraft beschreibt ie Kraftwirkung auf eine in einem magnetischen Fel bewegte elektrische Laung. Für ie technische Anwenung ist in er Regel nur ie Kraft F auf einen von einem elektrischen Strom er Stromstärke I urchflossenen Leiter relevant, er sich über ie Länge l in einem homogenen Magnetfel er Flussichte B befinet, wie in Abbilung 4.4 argestellt. ( ) F = i l B (4.9)
4 Leiterschaukel.fig B N S I F l Abbilung 4.4: Kraftwirkung F auf einen vom Strom I urchflossenen Leiter, er über ie Länge l im homogenen Magnetfel B verläuft. Abbilung 4.5 zeigt as Prinzip einer Gleichstrom-Nebenschlussmaschine. Auf em Anker ist leiglich eine einzige Spule mit er Winungszahl w argestellt. Rotiert er Anker, er en Durchmesser D aufweist, mit er Drehzahl n, so wir in er Spule ie Spannung U i inuziert, solange sich ie Spule im Bereich es Erregerfeles B, also im Bereich α = [ x, +x] bewegt. U i = 2πwBlnD (4.10) Die Größe l stellt ie axiale Länge von Anker un Erregersystem ar. Fließt er Strom I A urch ie Ankerspule, so wir im Rotor as Drehmoment M erzeugt, solange sich ie α=+x α= x I F Φ M n I A U i Β D l Abbilung 4.5: Vereinfachte Darstellung einer Gleichstrommaschine
5 Spule im Bereich es Erregerfeles B, also im Abschnitt α = [ x,+x] befinet. M = I wblnd (4.11) Technisch ausgeführte elektrische Maschinen bestehen aus einer Erregerwicklung (Inex F für Fel) un einer Ankerwicklung (Inex A) bzw. einer Statorwicklung (Inex 1). Θ F Θ F Θ A DC_Masch_Prinzip.fig DC_Masch_Prinzip_PM.fig Θ A Abbilung 4.6: Technische Ausführung von Gleichstrommaschinen. Links: elektrisch erregt. Rechts: permanentmagneterregt. Θ 1 Θ f Θ 1 ψ Θ f Ω Ω wirkungsweise sm.fig Abbilung 4.7: Wirkungsweise einer Drehfelmaschine. Hier ausgeführt als Vollpol- Synchronmaschine. Links argestellt im Leerlauf, rechts belastet im Motorbetrieb. Die Anker- oer Statorwicklung wir stets von einem elektrischen Strom urchflossen. Anstelle einer stromurchflossenen Erregerwicklung kann auch ein Permanentmagnet für ie Erzeugung er Erregerurchflutung eingesetzt weren. Aufgrun er räumlichen Orientierung er Wicklung bzw. er Magnetisierung es Permanentmagnets kann auch ie zugehörige Durchflutung Θ A, bzw. Θ F als Vektor argestellt weren. Das Drehmoment er elektrischen Maschine ist in guter Näherung proportional zum Vektorproukt von Anker- un Erregerurchflutung, wenn man ie Eisensättigung un ie magnetische Streuung vernachlässigen kann.
6 Gleichstrommaschinen weisen konstruktionsbeingt einen elektrisch wirksamen Winkel von 90 zwischen Erreger- un Ankerurchflutung auf, er urch ie räumliche Lage er Bürsten in Bezug zum Erregersystem vorgegeben wir. Bei Synchronmaschinen stellt sich ieser so genannte Durchflutungswinkel selbsttätig ein. Sein Wert hängt von er jeweiligen Belastung ab. 4.8.2 Die Gleichstrommaschine Gleichstrommaschinen weisen eine räumlich feststehene Erregerwicklung un eine rotierene Ankerwicklung auf. Der Ankerstrom wir er Ankerwicklung über feststehene Schleifkontakte zugeführt, welche über ie Kupferlamellen eines Kommutators schleifen. Der Kommutator rotiert gemeinsam mit er Ankerwicklung auf er Welle er Maschine. Zwischen zwei benachbarten Kommutator-Lamellen ist jeweils eine Spule er Ankerwicklung angeschlossen. Alle Ankerspulen sin somit elektrisch in Reihe geschaltet un jee Spule wir bei er zweipoligen Maschine vom halben Ankerstrom urchflossen. Drehen sich ie beien Kommutatorsegmente, ie zu einer Ankerspule gehören, unter einer Bürste hinurch, so kehrt sich ie Stromrichtung in er zugehörigen Spule um, woraus sich auch er aus em Lateinischen abgeleitete Name es Kommutators erklärt (commutare vertauschen). Kommutator un Bürstenhalter weren so eingestellt, ass sämtliche Spulen unter em einen Pol in ie eine Richtung bestromt weren un ie unter em aneren Pol in ie entgegengesetzte Richtung. Welle Wickelkopf Patina Blechpaket Kommutator Lamelle Abbilung 4.8: Anker einer kleinen Gleichstrom- Kommutatormaschine. Die Gleichstrom-Nebenschlussmaschine Bei er Nebenschlussmaschine weren Anker- un Erregerwicklung von unterschielichen Strömen urchflossen. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie ist eine Gerae. Sie wir urch as Blockiermoment (bei Drehzahl 0) un ie Leerlaufrehzahl (bei Drehmoment 0) be-
7 I A R A L A L F R F I F U A U i DC_Nebenschluss_ESB.fig U F Abbilung 4.9: Ersatzschaltbil er Gleichstrom- Nebenschlussmaschine stimmt. Die folgenen Gleichungen beschreiben as Verhalten er Gleichstrom-Nebenschlussmaschine im stationären Betrieb: U A = U i +R A I A (4.12a) U i = c 1 n = c 1 Φ F n (4.12b) M = c 2 I A = c 2 Φ F I A (4.12c) c 2 = c 1 (4.12) 2π Aus en Gleichungen 4.12a, 4.12b un 4.12c ergibt sich ie Kennlinie er Nebenschlussmaschine als Funktion M(n) M = c Φ F 2 U A R A }{{} M B Wobei M B as Blockier- bzw. Anlaufrehmoment arstellt. M Ankerstellbetrieb U A = const. I F M c Φ 2 1 c F 2 n (4.13) R A Felschwächbetrieb I F U A = const. n DC_Nebenschluss_Kennlinie.fig n Abbilung 4.10: Kennlinien er Gleichstrom-Nebenschlussmaschine. Links bei konstanter Erregung un variabler Ankerspannung, rechts bei variabler Erregung un konstanter Ankerspannung. Hält man en Erregerstrom konstant un variiert ie Ankerspannung U A, so änern sich Leerlaufrehzahl un Blockiermoment proportional mit er Ankerspannung: Die Kennlinie wir parallelverschoben, wie aus Formel 4.13 abgelesen weren kann. Hält man ie
8 Ankerspannung konstant un reuziert en Erregerstrom I F un amit en Erregerfluss Φ F, so fällt as Blockiermoment proportional mit em Erregerstrom. Gleichzeitig steigt ie Leerlaufrehzahl an: Die Kennlinie wir gekippt. Die Reuzierung es Erregerstromes un ie amit verbunene Erhöhung er (Leerlauf-)Drehzahl wir auch als Felschwächung bezeichnet. Eine permanentmagnetisch erregte Gleichstrommaschine zeigt as Betriebsverhalten einer Gleichstrom-Nebenschlussmaschine. Ihre Erregung ist urch ie Magnetisierung es Permanentmagnets fest vorgegeben un kann im normalen Betrieb nicht veränert weren. Die Gleichstrom-Reihenschlussmaschine I= I A =I F R A LA U AF R F U F L F DC_Reihenschluss_ESB.fig U A U i Abbilung 4.11: Ersatzschaltbil er Gleichstrom- Reihenschlussmaschine Bei er Gleichstrom-Reihenschlussmaschine sin Erreger- un Ankerwicklung in Reihe geschaltet. Sie weren also vom selben Strom urchflossen. Die im Anker er rotierenen Maschine inuzierte Spannung U i ist nun also proportional zum Proukt aus Drehzahl un Ankerstrom. Das Drehmoment ist proportional zum Quarat es Ankerstroms. Folgene Gleichungen beschreiben as Verhalten er Gleichstrom-Reihenschlussmaschine im stationären Betrieb: U AF = I(R A +R F )+U i = I R+U i (4.14a) U i = cin (4.14b) M = c 2π I2 (4.14c) Aus en Gleichungen 4.14a, 4.14b un 4.14c ergibt sich ie Kennlinie er Reihenschlussmaschine als Funktion M(n): M = c UAF 2 2π(R+cn) 2 (4.15) Die Drehzahl-Drehmomentkennlinie weist nun en Verlauf einer Hyperbel auf. Das Drehmoment fällt mit zunehmener Drehzahl überproportional ab. Dieser Verlauf wir auch als Reihenschluss-Charakteristik bezeichnet un ist präestiniert für Traktionsantriebe. Die Reihenschlussmaschine ermöglicht sowohl ein hohes Drehmoment für as Anfahren
9 M M B M ~ 1/n² DC_Reihenschluss_Kennlinie.fig n max n Abbilung 4.12: Die Kennlinie er Gleichstromreihenschluss-Maschine gemäß Gleichung 4.15. es Fahrzeugs, als auch, ohne Umschaltung er Maschine, sehr hohe Drehzahlen bei entsprechen geringerem Drehmoment. Aus iesem Grun stellte ie Reihenschlussmaschine in er Vergangenheit ie wichtigste Traktionsmaschine ar. Erst ie Leistungselektronik führte azu, ass auch anere elektrische Maschinen als Traktionsmaschinen wirtschaftlich eingesetzt weren können. 4.8.3 Die Synchronmaschine prinzip sm.fig Ω Abbilung 4.13: Prinzipieller Aufbau einer Drehstrom- Synchronmaschine. Links eine Schenkelpolmaschine, rechts eine Vollpolmaschine. Eine Synchronmaschine ist eine Drehfelmaschine. Sie weist im Stator minestens rei, jeweils um 120 räumlich gegeneinaner versetzte Spulen auf. Wir an iese Wicklung ein reiphasiges Drehstromsystem angelegt, so aieren sich ie Durchflutungen er Spulen zu einem resultierenen Vektor, er mit er Freuenz es Drehstromsystems im Stator er Maschine umläuft un mit er Erregerurchflutung es Rotors ein Drehmoment erzeugt. Man kann en umlaufenen Durchflutungsvektor auch als eine im Stator er elektrischen Maschine umlaufene Durchflutungswelle interpretieren.
10 I 1 X U R 1 X 1,σ X h ~ Xf X f,σ R f U 1 U i U P I f SM_ESB2.fig Abbilung 4.14: Einphasiges elektrisches Ersatzschaltbil einer ungesättigten elektrisch erregten Synchronmaschine. Das Ersatzschaltbil einer Synchronmaschine besteht im Wesentlichen aus einer Stromuelle mit er parallel geschalteten Hauptinuktivität X h. Der Strom I f er Stromuelle ist er im Verhältnis er Winungszahlen von Erreger- un Ankerwicklung umgerechnete Erregerstrom I f. Die im Stator er Maschine räumlich umlaufene Erregerurchflutung wirkt wie ein Drehstromsystem, a sie synchron mit er Ankerurchflutung umläuft un somit ebenfalls eine Durchflutungswelle arstellt. Das Drehstromsystem inuziert in er Hauptinuktivität X h ie Polraspannung U P. Diese kann an en offenen Klemmen er angetriebenen Maschine (iealer Leerlauf) gemessen weren. Die Amplitue er Polraspannung ist proportional zur Drehzahl er Maschine. Es ergibt sich as in Abbilung 4.14 argestellte Ersatzschaltbil. Vorsicht, ie Polraspannung kann nur so lange als konstante Größe betrachtet weren, wie ie Maschine ungesättigt ist! Felorientierte Regelung er Synchronmaschine Die Stator- bzw. Ankerurchflutung Θ 1 wir in eine Komponente Θ 1 in Richtung er Erregerwicklung (-Achse, bzw. irect axis) un in eine Komponente Θ 1 senkrecht azu (-Achse, bzw. uarature axis) zerlegt, wie in Abbilung 4.15 argestellt. Leiglich ie Komponente Θ 1 in er -Achse bilet mit er Erregerurchflutung Θ f ein Drehmoment. Wir ie Rotorlage über einen Lagegeber auf er Welle er Maschine erfasst, so kann ie Maschine so bestromt weren, ass ie Ankerurchflutungs-Komponente in er -Achse zu Null wir. Auf iese Weise kann mit em minimalen Statorstrom I 1 as maximale Drehmoment erzeugt weren. Felschwächbetrieb Um mit er Synchronmaschine eine Drehzahl zu erreichen, ie über ihrer natürlichen Leerlaufrehzahl liegt, muss ie Erregung reuziert weren. Nur so kann auch bei hohen Drehzahlen sichergestellt weren, ass ie Polraspannung stets kleiner ist als ie speisene
11 ψ Θ 1 Θ 1 Θ f Θ 1 Ω wirkungsweise sm.fig Abbilung 4.15: Die belastete Synchronmaschine im Motorbetrieb. Die Statorurchflutung Θ 1 wir vektoriell in ie Komponente Θ 1, ie in Richtung er -Achse, bzw. er Erregerurchflutung Θ f orientiert ist un in ie azu senkrecht stehene Komponente Θ 1 zerlegt. Ankerspannung. Bei umrichtergespeisten Maschinen wir ie Amplitue er Polraspannung urch ie Höhe er Zwischenkreisspannung begrenzt, ie wieerum von er Spannungsuelle es Fahrzeugs abhängt. Da ie Erregung auch as Drehmoment er Maschine bestimmt, ist ersichtlich, ass ieses im Felschwächbetrieb absinkt. Bei einer permanentmagnetisch erregten Maschine kann ie Erregung nicht veränert weren. Um iese Maschine in en Felschwächbetrieb zu bringen, muss eine Komponente Θ 1 er Statorurchflutung Θ 1 erzeugt weren, ie in er Achse er Erregerurchflutung liegt, also in er -Achse. Diese Komponente muss so orientiert sein, ass sie ie Erregerurchflutung reuziert, also ieser entgegen wirkt. Die Felschwächung einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine reuziert somit Θ 1 Ω Θ 1 S ψ Θ 1 N Θ f felschwaechung pmsm.fig Abbilung 4.16: Felschwächbetrieb einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine).
12 en Wirkungsgra. Als Ankerstellbereich wir er Betriebsbereich einer Synchronmaschine bezeichnet, in welchem iese as maximale Drehmoment erbringen kann. Der Ankerstellbereich wir begrenzt vom Grenzstrom es Umrichters un er Entmagnetisierung es Rotors, ie jeoch temperaturabhängig ist. Schenkelpolmaschine Weist eine Synchronmaschine konzentrierte Erregerwicklungen auf einzelnen Zähnen bzw. Jochschenkeln auf, spricht man von einer Schenkelpolmaschine. Eine solche Maschine ist in er linken Zeichnung in Abbilung 4.13 schematisch argestellt. Der Rotor ist magnetisch unsymmetrisch, woraus sich eine Abhängigkeit er Statorinuktivitäten von er Rotorlage ergibt, as so genannte Schenkelpolverhalten oer ie so genannte magnetische Einachsigkeit. Eine Schenkelpolmaschine kann prinzipiell auch mit einem unerregtem Rotor ein Drehmoment erzeugen. Das Magnetfel in er Maschine ist bestrebt sich über en Rotor zu schließen, a ieser einen eutlich größeren magnetischen Leitwert aufweist als ie Luft in er Pollücke. Das Magnetfel reißt sozusagen ie Rotorzähne mit sich, wobei man sich ie Fellinien in er Wirkung wie gespannte Gummibäner vorstellen kann. Eine solche Maschine ohne Erregerwicklung wir als Reluktanzmaschine (lat. reluctari: sträuben, wiersetzen) bezeichnet. Vollpolmaschine Wir ie Erregerwicklung als verteilte Wicklung in Nuten auf er Oberfläche eines zylinerförmigen Rotors eingelegt, so spricht man von einer Vollpolmaschine. Diese zeichnet sich urch magnetische Symmetrie aus. Die Inuktivität er Statorwicklung ist bei er Vollpolmaschine unabhängig von er Rotorlage. Die Vollpolmaschine ist in er rechten Skizze in Abbilung 4.13 argestellt. Transversalflussmaschine Die Transversalflussmaschine stellt eine besonere Bauform einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine ar. Die Ankerwicklung besteht aus mehreren parallel angeorneten Ringwicklungen, ie gegeneinaner um einen Bruchteil einer Polteilung τ p verreht weren. Die Joche er beien Spulen einer zweisträngigen Wicklung sin um τp /2 gegeneinaner verreht, was einem elektrisch wirksamen Winkel von 90 (el.) entspricht. Die rei Spulen einer reisträngigen Wicklung um jeweils 2 /3τ p, bzw. 120 (el.). Der magnetische Fluss wir transversal (lat. transversus: uer liegen), also senkrecht zur ihrer Hauptachse urch bzw. um iese Spule geführt. Die Maschine zeichnet sich in er Regel urch eine sehr hohe Polpaarzahl aus. Die einfache Statorbauform wir urch einen vergleichsweise
13 Statorjoch Stator wicklung Rotorjoch Rotor magnete Abstans halter Abbilung 4.17: Schematischer Aufbau einer Transversalflussmaschine (TFM). hohen konstruktiven Aufwan im Rotor erkauft, er erforerlich ist um ie hohe Polzahl zu erzielen. Die Transversalflussmaschine zeichnet sich urch ein hohes Drehmoment aus, ist aber aufgrun er hohen Polzahl nur beingt für große Drehzahlen geeignet. 4.8.4 Asynchronmaschine mit Käfigläufer Blechpaket Wuchtgewicht Welle Leiterstab Lüfterflügel Kurzschlussring Abbilung 4.18: Käfigläufer einer kleineren Asynchronmaschine. Der Stator einer Asynchronmaschine weist eine Drehstromwicklung auf, wie sie bereits mit er Drehstrom-Synchronmaschine vorgestellt wure. Der Rotor besteht aus kurzgeschlossenen Spulen. Diese sin aufgebaut aus Leiterstäben, ie stirnseitig urch Enringe untereinaner kurzgeschlossen sin. Stäbe un Enringe weren in Druckgussverfahren um as
14 Blechpaket gespritzt. Als Material wir für ie Läuferstäbe meist Aluminium verwenet. Wir ein hoher Wirkungsgra geforert, so kann auch Kupfer verwenet weren. Wir er Stator urch ein Drehstromsystem bestromt, so inuziert ie im Luftspalt er Maschine umlaufene magnetische Fluss-Welle elektrische Spannungen in en Rotorspulen. Da iese untereinaner kurzgeschlossen sin, bilet sich im Rotor ein vielphasiges Drehstromsystem, welches ie Maschine erregt. Da ieser Wirkungsmechanismus nur funktioniert, wenn sich Rotor un Statorurchflutung relativ zueinaner bewegen, läuft ie Asynchronmaschine im Motorbetrieb stets langsamer als as speisene Drehstromsystem un im Generatorbetrieb stets schneller. I 1 R 1 L1, σ L 2, σ R 2 U 1 L h R Fe R 2 1 s s ASM_ESB.fig Abbilung 4.19: Einphasiges Ersatzschaltbil einer Asynchronmaschine. Das Ersatzschaltbil er Asynchronmaschine ähnelt em eines Transformators. Der Rotorkreis wir anhan es Verhältnisses er Winungszahlen auf en Stator umgerechnet. Die Umrechnung wir urch einen Strich hinter em jeweiligen Formelzeichen gekennzeichnet. Der Faktor 1 s, mit welchem er auf ie Statorseite umgerechnete Rotorwierstan s R 2 multipliziert wir, stellt ie mechanisch umgesetzte Leistung er Maschine ar. Hierbei ist s er Schlupf er Asynchronmaschine, also ie Drehzahl es Rotors bezogen auf ie Drehzahl er im Stäner umlaufenen Durchflutungswelle. Bei stillstehenem Rotor, also beim Anlauf er Asynchronmaschine, besitzt er Schlupf en Wert eins. Felschwächbetrieb er Asynchronmaschine M U max M max U M=konst. U=konst. 0 ASM_Fleschwaechung.fig U ~ f f 0 M~ 1/f Felschwächbereich f n Abbilung 4.20: Kennlinie er Asynchronmaschine in er Felschwächung beim Betrieb am Umrichter.
15 Wir ie Asynchronmaschine an einem Drehspannungssystem mit variabler Freuenz, beispielsweise an einem Umrichter betrieben, so muss ie Amplitue es an ie Maschine angelegten Drehspannungssystem proportional mit essen Freuenz ansteigen, amit er magnetische Fluss in er Maschine konstant bleibt (siehe Inuktionsgesetz). Da jeoch ie Zwischenkreisspannung es Umrichters un auch ie Spannungsfestigkeit er Isolation in er Wicklung begrenzt sin, kann ie Spannung nicht beliebig steigen. Der Drehzahlbereich, in welchem ie angelegte Spannung ihren Maximalwert erreicht hat un nicht mehr proportional zur Freuenz ansteigt, heißt Felschwächbereich. Wie bei Gleichstrom- un Synchronmaschine fällt in iesem Bereich as Drehmoment er Maschine hyperbelförmig mit steigener Drehzahl ab. Felorientierte Regelung er Asynchronmaschine Θ ψ 1 Θ f Θ 1 Θ 1 Ω felorientierte_asm.fig Abbilung 4.21: Prinzip er felorientierten Regelung einer Asynchronmaschine. Die Statorurchflutung Θ 1 wir vektoriell in eine Komponente Θ 1 in Richtung er - un in eine Komponente Θ 1 in Richtung er - Achse zerlegt. Die räumliche Orientierung er Rotorurchflutung Θ f efiniert ie Lage er - un er -Achse zum aktuellen Zeitpunkt t. Die Statorurchflutung Θ 1 wir vektoriell in Richtung er - un er -Achse zerlegt. Diese Achsen sin nun aber nicht mehr starr mit em Rotor gekoppelt, sonern weren von em in en Rotorleiterstäben fließenen Drehstromsystem efiniert. Die Komponente Θ 1 baut über ie transformatorische Kopplung zwischen Stator- un Rotorwicklung ie Rotorurchflutung auf. Die Komponente Θ 1 bilet mit er Rotorurchflutung as Drehmoment. Über ein geeignetes Maschinenmoell kann ie Lage er - un -Achse mit guter Genauigkeit geschätzt weren. Im Gegensatz zur Synchronmaschine kann ie Asynchronmaschine nicht ohne Statorurchflutung in er -Achse betrieben weren, a iese as Drehstromsystem im Rotor un a-
16 mit ie Erregung aufbauen muss. Wichtig hierzu ist eine große magnetische Zeitkonstante er Rotorwicklung. 4.8.5 Auswahl er optimalen Traktionsmaschine Die eine optimale Traktionsmaschine, ie für jeen enkbaren Anwenungsfall bestens geeignet ist, gibt es nicht! Eine elektrische Maschine muss stets auf ie jeweilige Anwenung optimiert weren. Leier verhalten sich ie Optimierungsziele meist gegenläufig. So ist as Drehmoment einer elektrischen Maschine in guter Näherung proportional zum Volumen er elektromagnetisch aktiven Bauteile un amit auch zur Masse er Maschine. Ein hohes Drehmoment beingt somit automatisch auch eine große un schwere elektrische Maschine. Die Forerung nach einem hohen Drehmoment führt somit meist zu einer Maschine mit vergleichsweise geringer Leistungsichte. Die Leistungsichte einer elektrischen Maschine kann urch ie Wahl einer hohen Drehzahl vergrößert weren. Leier geht amit auch eine Erhöhung er Eisen- un Reibungsverluste einher. Auch as ann in er Regel erforerliche externe Getriebe verursacht zusätzliche Verluste, ie bei einer Optimierung berücksichtigt weren müssen. Ein anerer Ansatz ie Leistungsichte einer elektrischen Maschine zu steigern, ist ie Erhöhung er Ausnutzung er elektrisch un magnetisch aktiven Werkstoffe, also es Kupfers un es Eisens, inem ie elektrische Stromichte un ie magnetische Flussichte erhöht weren. Die Stromichte wir urch ie Kühlung er Maschine begrenzt, ie Flussichte urch ie Sättigung es Eisens. Beie Maßnahmen führen jeoch wieer zu erhöhten Verlusten un beeinflussen somit en Wirkungsgra er Maschine negativ. Die gesteigerte magnetische Ausnutzung kann arüber hinaus auch ie akustischen Eigenschaften er Maschine negativ beeinflussen, also zu höheren Geräusch-Emissionen führen. Ein weiterer Parameter er Optimierung einer elektrischen Maschine ist eren Polpaarzahl. Eine Vergrößerung er Polpaarzahl reuziert en magnetischen Polfluss un amit en erforerlichen Eisenuerschnitt er Maschine. Jeoch wir mit steigener Polzahl ie magnetische Streuung in er Maschine vergrößert, was bei permanentmagnetisch erregten Maschinen zu einer verminerten Ausnutzung es Magnetmaterials führt un arüber hinaus auch ie Streuinuktivität er Maschine erhöht. Eine große Streuinuktivität reuziert en maximalen Strom er Maschine un amit eren Leistung. Außerem erforert eine hochpolige Maschine bei gleicher Drehzahl eine entsprechen höhere elektrische Freuenz, wourch unter Umstänen ie Schaltverluste in er Leistungselektronik vergrößert weren können. Durch eine verbesserte Kühlung kann ie Baugröße einer elektrischen Maschine ebenfalls reuziert weren. Hier bietet sich beispielsweise er Übergang von einer Luft- auf eine Wasserkühlung an. Diese wir im Kraftfahrzeug üblicherweise als Wassermantelkühlung ausgeführt. Die Bauformen unserer heutigen elektrischen Maschinen sin bereits weit über 100 Jahre alt. Man kann Werner von Siemens ynamoelektrisches Prinzip aus em Jahre 1867 als
17 en Vorläufer unserer heutigen Gleichstrommaschinen bezeichnen. Die Urform er heutigen Drehstrom-Synchronmaschinen entwickelten im Jahre 1887 Frierich August Haselwaner un Charles Schenk Braley unabhängig voneinaner als Drehstromgenerator. Michail von Dolivo-Dobrowolsky stellte im Jahre 1891 eine praxistaugliche Asynchronmaschine vor. Ihr Schleifringläufer erlaubte en Anlauf mit hohem Lastrehmoment. Großartige Verbesserungen urch innovative Bauformen er klassischen elektrischen Maschinen sin heute somit nicht mehr zu erwarten. In en letzten Jahrzehnten verschoben ie Verfügbarkeit von kostengünstiger Leistungselektronik un Magnetwerkstoffen mit sehr hohem Energieichte- Proukt ie Beeutung er elektrischen Maschinen un sorgten afür, ass Kommutator- Gleichstrommaschinen in vielen Bereichen urch Drehstrom-Maschinen ersetzt wuren. Eigenschaften er vorgestellten Traktionsmaschinen Gleichstrom-Kommutatormaschinen weren heutzutage aufgrun von Bürsten- un Kommutierungsverlusten sowie er Problematik es Bürstenverschleißes nur noch selten für Traktionsaufgaben verwenet. Die restlichen hier vorgestellten Traktionsmaschinen können prinzipiell für en Antrieb von Elektrofahrzeugen verwenet weren. Die Tabelle 4.1 vergleicht ie wichtigsten grunsätzlichen Eigenschaften er verschieenen Traktionsmaschinen. PM-SM mit Oberflächenmagneten PM-SM mit vergrabenen Magneten elektrisch erregte Synchronmaschine Asynchronmaschine (Geschaltete) Reluktanzmaschine Transversalflussmaschine Leistungsichte + + 0 0 0+ + Überlastbarkeit ++ ++ + Felschwächbarkeit 0 + ++ 0 Wirkungsgra ++ ++ + + 0 ++ Kosten 0 0 + ++ ++ Wartungsfreiheit + + + + + Ausnutzung Leistungsel. ++ ++ ++ ++ Geräusch 0 + ++ 0 Tabelle 4.1: Eigenschaften er vorgestellten Traktionsmaschinen. ++: sehr gut, +: gut, 0+: neutral bis positiv, 0: neutral, : schlecht, : sehr schlecht. Die Tabelle zeigt leiglich ie allgemeinen Tenenzen. Der Einzelfall kann je nach Optimierungsziel er jeweiligen Maschine variieren.
18 Beispiele für Fahrzeugantriebe Kleines Elektro-Statfahrzeug Für ein kleines Elektrofahrzeug, as überwiegen im Statverkehr eingesetzt weren soll, bietet sich eine hochtourige permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine an. Diese zeichnet sich urch eine geringe Baugröße un einen vernünftigen Wirkungsgra aus. Für eine Low-Cost-Version es Fahrzeugs kann auch eine hochtourige Asynchronmaschine eingesetzt weren. Hierbei muss aber ie Ausnutzung es Umrichters in ie Optimierung miteinbezogen weren, a iese bei einer Asynchronmaschine geringer ist als bei einer Synchronmaschine un er zugehörige Umrichter größere un amit teurere Leistungshalbleiter benötigt. Abbilung 4.22: Beispiel für ein kleines Elektrofahrzeug, angetrieben urch eine Asynchronmaschine mit Käfigläufer. Daten er elektrischen Maschine: Nennleistung 12 kw (auerhaft), Nennrehzahl 5920 1 /min bei 200Hz, Nennspannung 100V un Nennstrom 86A in Dreieck-Schaltung. Ranabenantrieb Für einen Direktantrieb, er in ie Ranabe integriert weren soll, ist er naheliegene Ansatz eine nieertourige permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine. Nachteilig ist hier ie große erforerliche Menge an Magnetmaterial, ie ein Direktantrieb benötigt. Eine Ausführung er Rotors mit Oberflächen-Magneten ist aufgrun er Klebeverbinung un er erforerlichen Banagierung im Hinblick auf en Fertigungsaufwan (Kosten) nicht optimal. Wie bei allen permanentmagnetisch erregten Maschinen mit Oberflächenmagneten weist auch iese aufgrun er Entmagnetisierung urch as Ankeruerfel un Temperaturempfinlichkeit es Magnetmaterials eine vergleichsweise geringe Überlastfähigkeit auf. Darüber hinaus eignen sich permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen mit Oberflächen-Magneten nur beingt für en Felschwächbetrieb. Sie weisen also einen vergleichsweise geringen Wirkungsgra bei hohen Drehzahlen auf. Aus iesen Grünen wäre eine nieertourige Asynchronmaschine unter Umstänen eine bessere Wahl. Fahrzeug mit weitem Drehzahlbereich Soll as Fahrzeug ohne Schaltgetriebe eine hohe Engeschwinigkeit erreichen, muss ie elektrische Maschine felschwächbar sein. Stellt ieser Betriebsbereich einen nennenswerten Anteil es Fahrzeug-Fahrzykluses ar,
19 muss eine Felschwächung er Maschine ohne Zusatzverluste möglich sein. Die klassische permanentmagnetisch erregte Maschine scheiet somit aus. Eine sinnvolle Alternative wäre neben er klassischen Asynchronmaschine mit Käfigläufer auch eine elektrisch oer eine hybri-elektrisch erregte Synchronmaschine. Abbilung 4.23: Opel Ampera, Beispiel für ein Hybrifahrzeug. Der Blick in en Motorraum zeigt links ie Verbrennungskraftmaschine, in er Mitte ie beien elektrischen Maschinen in einem gemeinsamen Gehäuse un hinten rechts en Umrichter. Hybrifahrzeug Im Hybrifahrzeug Opel Ampera treibt eine 1,4-Liter-Verbrennungskraftmaschine einen 54 kw-generator an, ausgeführt als permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine. Für ie elektrische Traktion steht eine 111 kw Asynchronmaschine bereit. Durch ie Umschaltung es Getriebes können zusätzlich zur Asynchronmaschine auch ie Synchronmaschine, ie Verbrennungskraftmaschine oer beie gleichzeitig für ie Traktion es Fahrzeugs genutzt weren. Als Energiespeicher ient em Fahrzeug eine 16 kwh- Lithium-Ionen-Traktionsbatterie. Nutzfahrzeuge Für en Einsatz in Nutzfahrzeugen sin wartungsfreie permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen oer Käfigläufer-Asynchronmaschinen präestiniert. Elektrisch erregte Synchronmaschinen in klassischer Bauform sin aufgrun er Bürsten un es amit verbunenen Wartungsaufwans eher weniger geeignet. Ranabenantriebe für sehr hohe Drehmomente könnten auch mit Transversalflussmaschinen realisiert weren, a Nutzfahrzeuge in er Regel keine besoners hohen Geschwinigkeiten erforern un somit ie Motorrehzahl in einem vernünftigen Bereich liegt.