Herausforderungen bei der Auswahl und der Auslegung der elektrischen Maschine Dr. Heinz Schäfer, hofer eds GmbH, Würzburg, Deutschland, heinz.schaefer@hofer.de Kurzfassung In diesem Beitrag wird auf eine ganzheitliche Betrachtung bei der Auswahl und der Auslegung der elektrischen Maschine eingegangen. Hierbei werden verschiedene elektrische Maschinen mit ihrem speziellen Betriebsverhalten betrachtet. Ferner werden noch Trends in der elektrischen Antriebstechnologie aufgezeigt. Abstract In this contribution a holistic consideration will be done concerning the choice and the design of the electrical machine. Also in this connection, different kinds of electrical machines concerning the operation behaviour will be considered. Furthermore trends in the electrical drive technology will be presented. 1 Einführung Für den Großserieneinsatz werden neben den in der Automobiltechnik üblichen Qualifikationen und Freigaben die nachfolgenden Themen eine wichtige Rolle spielen: Robustheit Systemsicherheit Systemkosten (Entwicklung, Fertigung) NVH, EMV Materialverfügbarkeit Gewährleistung Für eine Optimierung auf Fahrzeugebene ist eine frühzeitige Zusammenarbeit der Entwicklung des elektrischen Antriebssystems mit der Entwicklung des Fahrzeuges unbedingt erforderlich. Eine Optimierung auf Komponentenebene alleine ist nicht ausreichend. 2.1 Asynchronmaschinen Robust Hohe Überlastfähigkeit Betriebsverhalten unkritisch im Fehlerfall Hohe Drehzahlen möglich Einfache Herstellbarkeit, Montage freundlich Vergleichsweise kostengünstige Drehstrommaschine Wirkungsgradnachteile im unteren - und Wirkungsgradvorteile im oberen Drehzahlbereich Keine Probleme mit der Verfügbarkeit von Magnetmaterial 2.1.1 Antrieb mit Asynchronmaschine 2 Elektrische Maschinen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge Bild 1 Antrieb mit Asynchronmaschine Bild 2 Rotordesign einer Asynchronmaschine mit Kurzschlusskäfig (Alu / Cu).
2.2 Synchronmaschinen Permanentmagneterregte Maschinen (PSM / IPM) o Vergleichsweise hoher Wirkungsgrad im unteren Drehzahlbereich aber niedriger Wirkungsgrad im oberen Drehzahlbereich o Baugröße im Vergleich zur ASM ca. 15% kleiner o Im Fehlerfall kritisch zu bewerten (Überspannung, Bremsmoment, Pendelmoment) o Die Verfügbarkeit von Magnetmaterial könnte zukünftig problematisch werden o Schleppverluste im Leerlauf o Im Vergleich zur ASM wesentlich höhere Herstellkosten Bild 6 Verhalten im Fehlerfall (PSM / IPM) 2.3 Fremderregte Synchronmaschinen 2.2.1 Antrieb mit permanenterregter Synchronmaschine Bild 3 Antrieb mit PSM / IPM Unkritischer im Fehlerfall als die PSM/IPM bei aktiver Entregung des Feldes Entwärmung der isolierten Feldwicklung im Rotor problematisch Schutz der Feldwicklung im Rotor gegenüber Fliehkräfte erforderlich Zusätzliches Feldstellgerät und Bürstensystem mit Schleifring notwendig Relativ hoher Wirkungsgrad im unteren - und bei eingeschränkter Leistung auch im oberen Drehzahlbereich Keine Schleppmomente im Leerlauf Die Herstellkosten entsprechen etwa denen der PSM / IPM Baugröße inklusive Schleifring u. Bürstensystem verlgeichbar mit ASM Bild 4 Rotordesign einer permanenterregten Synchronmaschine (PSM / IPM). 2.3.1 Antrieb mit fremderregter Synchronmaschine 2.2.2 Permanenterregte Synchronmaschine PSM / IPM Verhalten im Normalbetrieb, z.b. für mitgeschleppte elektrische Achsen. Bild 7 Antrieb mit fremderregter Synchronmaschine Bild 5 Verhalten im Normalbetrieb, z.b. für mitgeschleppte elektrische Achsen.
3 Sicherheitsrelevante Aspekte Bild 8 Rotordesign für eine fremderregte Synchronmaschine 2.4 Synchronreluktanzmschine (SYRM) Unkritisch im Fehlerfall Relativ geringe Rotorverluste geringe Lagererwärmung Keine Schleppmomente im Leerlauf Vergleichsweise geringe Herstellkosten, vergleichbar mit ASM Aufgrund der Rotorgeometrie ist nur ein vergleichsweise kleiner Rotorinnendurchmesser möglich Erhöhte Statorkupferverluste durch erhöhten Magnetisierungsstrom Rotorlagegeber erforderlich Vergleichsweise niedrige Leistungsdichte Bild 11 Mögliche Fehlerursachen 3.1 Sicherheitsrelevante Aspekte beim Einsatz einer PSM / IPM am Beispiel von Einzelradantrieben 2.4.1 Antrieb mit Synchronreluktanzmaschine Bild 9 Antrieb mit Synchronreluktanzmaschine Bild 10 Typisches Rotordesign für eine Synchronreluktanzmaschine Bild 12 Sicherheitsrelevante Aspekte
3.2 Beim Einsatz eines elektrischen Aschantriebes, basierend auf einer Asynchronmaschine (ASM), einer fremderregten Synchronmaschine (FSM) oder einer Synchronreluktanzmaschine (SYRM) sind keine zusätzlichen Maßnahmen für den Fehlerfall erforderlich. 4 Produktentwicklungsprozess für eine elektrische Maschine 3.3 Beim Einsatz eines elektrischen Achsantriebes basierend auf einer permanent-magneterregten Synchronmaschine (PSM / IPM) sind nachfolgend zwei alternative Maßnahmen vorgeschlagen, um bei einem zwei- oder drei- phasigen Kurzschluss (gewollt oder ungewollt) Fahrdynamikprobleme auf Fahrzeugebene zu vermeiden. Trennung der elektrischen Maschine vom Antriebsstrang mittels schnell- schaltender Kupplung. Ist auch erforderlich bei elektrischen Achsen um Schleppverluste im Normalbetrieb zu vermeiden. Schnelles Öffnen der Anschlussklemmen oder des Sternpunktes der elektrischen Maschine. Bild 14 Ablaufdiagramm EM-Berechnung 4.1 Elektromagnetische FEM 3.4 Drehmomentgenauigkeit bei elektrischem Einzelantrieb der Hinterachse für Torque Vectoring Bild 15 FEM-Berechnung Bild 13 Einzelradantrieb Forderung: Die Drehmomentkonstante beider Antriebe sollte eine große Übereinstimmung haben, um die Fahrdynamikregelung zu entlasten. Folgerung: Paarweiser Drehmomentabgleich am Prüfstand für Kleinserien On-Line Parameterschätzung und automatische Regleradaptierung für Großserie Bild 16 Struktur - FEM (Von-Mises Spannungen)
4.2 Aus der Motorgeometrie und den Materialdaten wird ein thermisches Ersatzschaltbild erstellt, um das Temperaturverhalten analytisch für jeden Arbeitspunkt berechnen zu können. Eine Drehmomentungleichförmigkeit kann aber auch durch die Ansteuerung der elektrischen Maschine entstehen, wenn z. B. aufgrund einer zu geringen Schaltfrequenz und einer geringen Streuinduktivität in der Maschine, nennenswerte Oberschwingungsströme entstehen und damit Drehmomentrippel verursachen können. Die Drehmomentungleichförmigkeit kann dann auf verschiedene Arten zur Geräuschbildung beitragen: Der Drehmomentrippel gelangt über die Rotorwelle in das Getriebe und erzeugt Getriebegeräusche Der Drehmomentrippel gelangt über die Aggregatelager (bei nicht aus- reichender Dämpfung) in das Chassis des Fahrzeuges und sorgt für eine Schwingungsanregung und damit Geräusche. Ferner kann auch das Statorgehäuse (bei nicht ausreichender Dimensionierung) durch die umlaufende Kraftwellen zu Körperschall angeregt werden, welcher dann als Luftschall in Erscheinung tritt. 5.2 Mechanisches Modell eines elektrischen Achsantriebes Bild 17 EM-Schnittmodell Das Modell kann zur Erklärung der Geräuschursache benutzt werden Bild 18 EM-Thermisches Ersatzschaltbild Bild 19 Mechanisches Modell 5 Systemtechnische Aspekte / Geräuschursachen 5.1 Beispiel Achsantrieb Die Hauptursache für Geräusche in einem elektrischen Achsantrieb ist normalerweise die Drehmomentungleichförmigkeit in einer elektrischen Maschine. Die Drehmomentungleichförmigkeit ist bauartbedingt und kann durch die Auslegung der elektrischen Maschine beeinflusst werden. 5.3 Auswirkungen des Betriebsverhaltens elektrischer Antriebssysteme im Normalbetrieb auf das Fahrzeug: Anfahrschlag über die Achslager Anfahrruckeln durch Anregung der 1. Eigenfrequenz des Antriebstranges
Ziel: Reduzierung der Kosten für das Aktivmaterial der elektrischen Maschine (z.b. Kupfer, Bleche, Magnete) durch hochdrehende elektrische Maschinen in Verbindung mit einem Reduziergetriebe. Das Gesamtgewicht bleibt etwa gleich aber zu niedrigeren Gesamtkosten. 6.3 Einsatz magnetloser elektrischer Maschinen speziell bei Achsantrieben Bild 20 Prototyp-Einzelradantrieb 6 Trends in der Antriebstechnologie 6.1 Hochintegrierte elektrische Antriebssysteme für Hybrid- und Elektrofahrzeuge Gründe hierfür: Extrem gestiegene Magnetpreise Verhalten im Fehlerfall (keine Bremsmomente und keine Überspannungen) Keine Trennkupplung erforderlich beim Einsatz einer elektrischen Vorder- oder Hinterachse in Hybridfahrzeugen (keine Schleppmomente ) 6.4 Neuartige Hybridgetriebe für Plug-In- Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge mit Range Extender [1] Bild 21 Heute: Einzelkomponenten Bild 23 Neuartiges Hybridgetriebe Bild 22 Morgen: Integriertes Achsmodul 6.2 Erhöhung der Leistungsdichte Drehmoment: Leistung: Leistungdichte: Bild 24 Prinzipieller Aufbau des Hybridgetriebes
EM 1: Spezielle ASM (Asynchronmaschine) EM 2: Innenläufer ASM / PSM ÜK: Überbrückungskupplung ÜK-AK: ÜK-Aktuatorik RG: Reduktionsgetriebe mit ü ca. 1:2 BS/SR: Bürsten- / Schleifringsystem KW: Kurbelwelle EMS: Engine Management System BMS: Battery Management System HCU: Hybrid Control Unit GW: Getriebewelle RG: Reduziergetriebe ZK: Zwischenkreis 8 Literatur [1] Dr. Schäfer, H.: Elektrische Hybridgetriebe für vielerlei Anwendungen. ATZ 02/2012, S. 154-159 7 Zusammenfassung Der Auswahl einer geeigneten elektrischen Maschine für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen kommt eine nicht unerhebliche Bedeutung zu. Standen in den letzten Jahren fast ausschließlich permanenterregte Synchronmaschinen auf Basis von Seltenerdmagneten im Focus, so gewinnen speziell bei hochtourigen Achsantrieben sogenannte magnetlose elektrische Maschinen massiv an Bedeutung. Auslöser hierfür sind die Verfügbarkeit und die extrem gestiegenen Kosten für das Magnetmaterial. Für die zukünftige Massenproduktion werden kostengünstige elektrische Maschinen ein entscheidender Wettbewerbsvorteil auf dem internationalen Markt sein. Bei der Auslegung der elektrischen Maschine rücken verstärkt realitätsnahe Fahrzyklen in den Vordergrund, um eine Überdimensionierung und damit Mehrkosten zu vermeiden. Ferner muss auch das Betriebsverhalten der unterschiedlichen elektrischen Maschinen speziell im Fehlerfall näher betrachtet werden, um negative Auswirkungen auf die Fahrdynamik und damit auf die Sicherheit des Fahrzeuges auszuschließen. Letztendlich muss auch über einen höheren Integrationsgrad bezüglich elektrische Maschine, Getriebe und Leistungselektronik nachgedacht werden, um unter anderem auch die Kosten für die Verbindungselemente niedrig zu halten.