„Die elektrische Maschine als Aktor - eal.ei.tum.de · Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Technische Universität München „Elektrische

Lehrstuhl fürElektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik

Fakultät EITechnische Universität München

„Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben“

„Die elektrische Maschine als Aktor“

Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel([email protected])

Technische Universität MünchenArcisstraße 21

80333 München

- --

Drehzahl-regelung

Drehmoment-/StromRegelung

M3~

i

Lageregelung

Lagegeber

Tacho

Kommutierungssignale

s*

s

n* i*

n

Struktur einer Antriebsregelung





elektrische (Synchron-)Maschine

Krafterzeugung durch elektrische Energie

Die Umwandlung elektrischer in mechanische Energie … oder umgekehrt …

… richtet sich nach den Maxwell‘schen Gleichungen

1. Durchflutungsgesetz(Ampère‘s Gesetz mit Korrekturen von Maxwell)

2. Induktionsgesetz(Faraday‘s Gesetz)

3. Gesetz von Gauss(Ursprung elektrischer Feldlinien auf elektrischen Ladungen)

4. Gesetz von Gauss für magnetische Felder(es gibt keine magnetischen Monopole

– nur geschlossene magnetische Feldlinien)

… die Lorentz-Kraft

die Lorentz-Kraftphysikalische Grundlage

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

die Lorentz-Kraftphysikalische Grundlage


Bürstenlose Maschinen statt Gleichstrommaschinen ?!?

B

Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich

If

B

… die Argumente, die diesen Wechsel bei Industrieantrieben forcierten

(Bürstenverschleiß, Wärmeentwicklung im Rotor, …),

sind in Kfz-Anwendungen von untergeordneter Bedeutung

Synchronous Motorwith Surface Mount Permanent Magnets

… in Kfz-Anwendungen werden

„bürstenlose“ Antriebe

nur dann eingesetzt

wenn der Kunde bereit ist,

für die technischen Vorteile

zu bezahlen

(Baugröße, Gewicht…)

Synchron-Servomotor mit Selten-Erd-Magneten

Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine

Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine

Grunddrehzahl-bereich

Feldschwäch-bereich

… man muss sich natürlich fragen :

hat meine Anwendung wirklich Vorteile

durch den Feldschwächbereich ?

oder bin ich die Charakteristik

wegen des Schaltgetriebes einfach nur gewöhnt ?

Auslegungskriterien für elektrische Motoren

• Drehmoment– Dauermoment, Stillstandmoment

– Überlastverhalten

(bei Servoantrieben liegt das Verhältnis

Dauer-Drehmoment zu Maximal-Drehmoment

zwischen 1:3 und 1:6)

– das Maximal-Drehmoment bestimmt die Baugröße !!!

• Drehzahl– Stellbereich (Maximal-Drehzahl)

– Rundlaufeigenschaften bei kleinen Drehzahlen

– Leistungssteigerung über Drehzahlerhöhung möglich

(ohne Vergrößerung des Motors !)

Baugrößen-/Gewichtsreduktiondurch Einengung von Toleranzen

• Netz- bzw. Versorgungsspannung– Toleranz in der Regel 10 %

• Antriebsmotor– Drehmoment muss in jedem Fall (auch bei Minimalspannung) bereitgestellt werden

– … der auszulegende Nennstrom ist entsprechend höher (Energieerhaltungssatz)

– … der Motor muss größer (und schwerer !) ausgelegt werden

• Einengung der Spannungstoleranzdurch geregelte Leistungselektronik

– Drehmoment kann problemlos (bei definierter Versorgungsspannung) bereitgestellt werden

– … der auszulegende Nennstrom hat ebenfalls eingeengte Toleranz (Energieerhaltungssatz)

– … der Motor muss nicht größer (und schwerer !) ausgelegt werden

„Gewinn“im Nennstrom


Synchronmaschinen mit PermanentmagneterregungFeldschwächung

… wegen des großen Luftspalts

ist der zur Feldschwächung

notwendige d-Strom

allerdings viel größer (!)

als der Strom,

der für elektrische Erregung

notwendig wäre

… wenn jemand im Feldschwächbereich

unerwartet den d-Strom abschaltet

(z. B. Not-Aus oder Defekt)

entsteht an den Motorklemmen eine Spannung,

die wesentlich größer ist als die Nennspannung


Synchronmaschinen mit PermanentmagneterregungBeispiel eines Motors

Comparison :

Outer Rotor – Inner Rotor

source: VENSYS Energiesysteme

rotor

stator

airg

ap d

iam

eter

smaller diameter

winding

electrical excitation

permanent magnet excitation

Integration in die Anwendung (Lüfter, Pumpen)

erhebliche Reduktion

von Volumen und Masse möglich


Zahnspulenwicklungbei einer Außenläufer-Synchronmaschine

… hier können die gleichen Fertigungseinrichtungenwie bei der Herstellung von Gleichstrom-Ankern

verwendet werden !!!

sehr interessant für BOSCH

Quelle : Prof. K. Hameyer, RWTH Aachen

Elektrochemische Motoren Elektromagnetische Motoren Motoren mit mechanischer Kraftübertragung

bürstenbehaftete Motoren bürstenlose Motoren piezoelektrische Motoren

Unipolar-

motoren Gleichstrom-

motoren

Drehfeld-

motorenasynchron

Feldwicklung Feldmagnete

(Reihen-)

Haupt-

schluss

synchronWanderwellen-

motoren

Ultraschall-

motoren

Schleifring-

läufer

Neben-schluss Käfigläufer

mit Feld-

wicklung

Permanent-

magnet

Transversal-

flussReluktanz

Doppel-

schluss

frequenz-

gesteuert

feld-

orientiert

Synchron-

Reluktanz

Geschaltete

Reluktanz

Schritt-

motoren

trapezförmige

EMK

sinusförmige

EMK

„vergrabene Magnete“ Oberflächenmagnete

DC SM ASM

Vorteile

Nachteile

- einfach zu regeln

- Innenbelüftung

einfach zu realisieren

- hohe Schutzart

- geringer Raumbedarf

- Wartungsfreiheit

- niedriges

Eigenträgheitsmoment

- hohes Stillstands-

Drehmoment

- hohe Dynamik

- Verlustleistung im Stator

- hohe Schutzart

- Wartungsfreiheit

- hohe Überlastbarkeit

- niedrige Kosten

- hohes Stillstands-

Drehmoment

- großer

Drehzahlstellbereich

- niedrige Schutzart

- mechanischer Verschleiß

(Bürsten, Kollektor)

- Strombegrenzung

- Stillstand

(Kollektor-Lamellen)

- hohe Drehzahl

(Kommutierung)

- max. Klemmen-

spannung von 200 V

(Trafo notwendig)

- Verlustleistung im Rotor

(Wärmeabfuhr über Welle)

- hohe Kosten

- eingeschränkter

Drehzahlbereich

- eingeschränkte

Überlastbarkeit

(Entmagnetisierungs-

gefahr)

- Oberschwingungs-

Verluste vorwiegend

im Rotor

(Wärmeabfuhr über Welle)

- hohes Trägheitsmoment

- Feldstrom erforderlich

(Verluste, Bauvolumen,

größerer Umrichter)

- komplexe Regelung

- parameterabhängige

Regelung

Vergleich von verschiedenen elektrischen Maschinen

historische Entwicklung bei industriellen Antrieben

wer das Ergebnis voraussahund diesen Weg wählte,

war pleite,

bevor es soweit kam

künftige Entwicklung bei Kfz-Antrieben ???

bis 2000

seit 2000

ab 20xx ?





Getriebe

Mechanische Kopplung

SpindelZahnstange Zahnriemen

GetriebeKette

Auslegung von GetriebenWechselwirkung mit Motorgröße

mit Getriebe (ü = 10 : 1)

wird ein Motor

mit folgenden Daten benötigt:

10 Nm bei 1000 min-1

die Baugröße des Motors

ist damit deutlich kleiner

die Kombination

Motor + Getriebe

kann daher

kleiner bzw. leichter sein

als ein getriebeloser Direktantrieb

Abtrieb :

100 Nm bei 100 min-1

bei Auslegung als Direktantrieb

(ohne Getriebe)

bestimmt das Drehmoment

die Baugröße des Motors





Zusammenwirken der Komponenten

- --

Drehzahl-regelung

Drehmoment-/StromRegelung

M3~

i

Lageregelung

Lagegeber

Tacho

Kommutierungssignale

s*

s

n* i*

n

Struktur einer Antriebsregelung

BetriebskennlinieGleichstrommaschine

Drehzahl

Dre

hm

om

ent

MotorbetriebPel > 0

Pmech< 0

GeneratorbetriebPel < 0

Pmech> 0

Gegenstrom-BremsbetriebPel > 0

Pmech> 0

LastkennlinieArbeitspunkt


Drehzahl

Dre

hm

om

ent

MotorbetriebPel > 0

Pmech< 0


Pmech> 0


Pmech> 0

… Veränderungen der Speisespannungverschieben die Kennlinie

Arbeitspunkt


Drehzahl

Dre

hm

om

ent

MotorbetriebPel > 0

Pmech< 0


Pmech> 0


Pmech> 0

die Betriebsbereichsgrenzensind willkürliche Definitionen

… die Maschine selbstreagiert nur nach

den Maxwell-Gleichungen

die Vorzeichenumkehrbei Drehzahl, Drehmoment

und Strom haben in der el. Maschine

keine besondere Bedeutung


Drehzahl

Dre

hm

om

ent

MotorbetriebPel > 0

Pmech< 0


Pmech> 0


Pmech> 0

… es kann allerdings sein,dass externe Einrichtungen

(z. B.Stromrichter)mit der Stromumkehr

Probleme haben

eine elektrische Maschine mit Umrichterspeisung

und Drehzahlregelung

weist nach außen immer

die Kennlinie einer Synchronmaschine auf

… egal um welche Art

von elektrischer Maschine

es sich handelt

BetriebskennlinieDrehfeldmaschine mit Drehzahlregelung

BetriebskennlinieSynchronmaschine

Drehzahl

Dre

hm

om

en

t

MotorbetriebPel > 0

Pmech< 0


Pmech> 0

… Veränderungen der Speisespannungverschieben die Kennlinie … aber nur vertikal

… Veränderungen der Speisefrequenzverschieben die Kennlinie horizontal

Lastkennlinie

Arbeitspunkt

… das ist genau das, was die Drehzahlregelungbei Änderungen des Drehzahlsollwerts bewirkt

BetriebskennlinieSynchronmaschine

Drehzahl

Dre

hm

om

en

t

MotorbetriebPel > 0

Pmech< 0


Pmech> 0

auch hier sinddie Betriebsbereichsgrenzen

willkürliche Definitionen

… der Übergang vonMotor- zu Generatoretrieb

oder umgekehrterfolgt quasi „automatisch“

… sobald der Arbeitspunktvom ersten Quadranten

in den vierten Quadrantenwechselt (oder umgekehrt)

Drehmoment-/Drehzahl-Charakteristikvon umrichtergespeisten Synchronmaschinen

Quelle : SIEMENS

Kennlinie der drehzahlgeregeltenSynchronmaschine

thermische Grenzkennlinien

Grenzkennlinie durch maximale Speisespannung

Grenzkennlinie durch maximalen Speisestrom

… leider wird in den meisten Datenblätternnur der 1. Quadrant dargestellt

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