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