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Zur DRIVE-E Akademie 2010

Vor- und Nachteile verschiedener

Motorkonzepte für Fahrantriebe

Dipl. Ing. (FH) Johannes Oswald

ELEKTROMOTOREN

5000 Hauptantriebe/a / Design / Entwicklung / Produktion / Service / 130 Mitarbeiter

... von 10 bis 1000 kW ... von 100 bis 170 000 Nm ... von 0 bis 25 000 rpm

Elektromotoren GmbH, Miltenberg

- Vorbemerkungen, Beispiele, Probleme für Elektrofahrzeuge

- Vergleich Verbrennungsmotor – Elektromotor (Vor- und Nachteile)

- Mögliche Antriebsausführungen von rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen

- Vergleich unterschiedlicher Motortypen für elektrische Fahrantriebe

GliederungÜberblick

Beispiele: Elektrische Fahrzeuge

- PKW (Massenmarkt)

- Stapler (der klassische Elektroantrieb)

- Nutzfahrzeuge (Serieller Hybrid, paralleler Hybrid)

- Kleinfahrzeuge (Fahrrad, Skooter, Rollstühle, Boote etc.)

35 Jahre Hauptantriebe

Zukunft ??

TFM ?

Vergangenheit

HTS ?

Problem: mobile Energie

Faktor 10 Faktor 10

Stahl Kupfer Aluminium Neodym

PM/TFM/HTS

Problem: Magnetverfügbarkeit

1930 1950 1970 1990 2010

800

600

400

200

0

kJ/m³

AlNiCo

Ferrite

SmCo

NdFeB

Vorteil von Neodym-Magneten:

- hohe Energiedichte

- Temperaturstabilität

- Korrosionsstabilität

- hohe Verfügbarkeit

Neodym Chance und Problem:

Elektromotor - Dieselmotor

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Elektromotor Dieselmotor

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

Nachteile:

- Problem: mobile Energie

- Zusatzheizung erforderlich

- Niedrige Kühltemperatur

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

Vorteile:

- Energie mobil verfügbar

- ausreichend Heizwärme

- hohe Kühltemperatur

Wirkungsgrad

GliederungMomentenverlauf, Leistungsverlauf

M

P

Drehzahl

Leistung

Moment

n

V, m ~ MErste Näherung:

Ankerstellbereich Feldschwächbereich

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 200 400 600 800 1000 1200

Dre

mom

en

t a

m R

ad

in

Nm

Raddrehzahl in rpm

E-Motor - Nenn

E-Motor - Überlast

GliederungVergleich: Momentenverlauf

Antriebsausführungen

Was suchen wir?

hohe Kraftdichte (geringes Gewicht und Volumen)

hoher Wirkungsgrad (energiesparend)

stabil, wartungsfrei, geräuscharm

- Motortypen- Kraftdichte- Wirkungsgrad- Kühlungsart- Kennwerte- mechanischer Aufbau

Vergleich nach:

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

Batterie, Umrichter Elektromotor Getriebe

Supraleitend

PM Synchron

Transversalfluß

Asynchron

Motortypen

Weitere nicht betrachtete Motortypen: Gleichstrom, Scheibenläufer, Reluktanz, etc.

TFM HTS

ASM SM

94%

96%

98%

Asynchron Synchron Transversalfluß Supraleitend

99,5% / 98%

Kraftdichte / Wirkungsgrad: TFM / HTS

94%

97%

96%

97%

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

Kühlung

Achtung: Kühlung mit 100°C ist zunächst ungeeignet !!

Kühlung / Bauart (M = 500Nm = konst.)

0

20

40

60

80

100

120

Bauhöhe Baulänge Volumen Gewicht Trägheits-moment

SM wassergekühltTorque wassergekühltASM wassergekühlt

ASM außenbelüftetASM Normmotor, eigenbelüftet

- q > 1

- niedrige Polzahl

- für hohe Drehzahl

- Träufelwicklung- Füllfaktor 43%

- großer Wickelkopf

- reduzierte Rotorverluste

- guter Leistungsfaktor

- automatisierte Fertigung

Verteile Wicklung

- q < 1

- hohe Polzahl

- für niedrige Drehzahl

- Zahnspule- hoher Drahtfüllfaktor (60%)

- kleiner Wickelkopf

- Zusatzverluste Ober/Unterwellen

- schlechterer Leistungsfaktor

- hoch automatisierbare Fertigung

Konzentrierte Wicklung (Zahnspule)

Aufbau - Statorwicklung

ASM, SM SM

- relativ kostengünstig

- große Hohlwelle möglich

- geringe Rotorverluste

- geringe träge Masse

- Bandage erforderlich

- gute Klebung erforderlich

- Feldkonzentration

- kleiner Luftspalt

- reduzierte Rotorverluste

- gut feldschwächbar

- höhere träge Masse

- keine große Hohlwelle

- geblecht relativ teuer

- keine Bandage nötig

- keine Klebung nötig

- große Hohlwelle möglich

- reduzierte Rotorverluste

- mittlere träge Masse

- geblecht, relativ teuer

Aufbau – Rotorvarianten

- kostengünstig

- keine Bandage/Klebung nötig

- keine Magnete

- gut feldschwächbar

- Rotorverluste

- nur kleine Hohlwellen möglich

- hohe träge Masse

- hochpolig nicht möglich

ASM SMSM SM

Aufbau - TFM / HTS

- 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 )

Wirkprinzip:wie Synchronmaschine

Asynchron-

motor

Synchron-

motor

Transversal-

flußmotor

Supraleitender

Motor

niedrige Kosten

hohe Kraftdichte

hohe Feldschw.

einfache Umrichter

einfache Kühlung

hoher Wirkungsgrad

geringe Geräusche

Verfügbarkeit

erprobte Technik

Elektromotoren als Fahrantriebe

ASM SM TFM HTS

Antriebsausführungen (Auswahl)

hohe Drehzahl

keine Feldschwächung

hohe Drehzahl

hohe Feldschwächung

ASM, SM, TFMMögliche Motortypen: SM (Zahnspule) HTS (Zahnspule)

niedrige Drehzahl

hohe Feldschwächung

minimales Gewicht

niedrige Drehzahl

hohe Feldschwächung

minimales Gewicht

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

Batterie, Umrichter Elektromotor Getriebe