Eine Elektrische Maschine ist ein Gerät, das teilweise
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Grundwissen / Lernfeld 3 Elektrotechnik: Der Elektromotor Elektrische Maschinen im Kfz Definition eigentlich „Elektromagnetische Maschinen“ • Eine Elektrische Maschine ist ein Gerät, das teilweise mittels Wandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie arbeitet. In der wissenschaftlichen Lehre werden unterschieden: • Rotierende elektrische Maschinen, speziell Elektromotoren und Generatoren. • Maschinen mit translatorischer (gradliniger) Bewegung als Sonderfall der rotierenden Maschine • Ruhende Elektrische Maschinen, speziell Transformatoren wurden oft traditionell dazugezählt. 2 Elektrische Maschinen im Kfz Definition Die kennen wir Elektrische Maschinenalle aus dem Auto! Ruhende Nicht-ruhende (Transformator) Rotation Translation (Linearmotor) Motor ... im Auto? Klar, die Zündspule! Generator 3 Elektrische Maschinen im Kfz Definition Gleichstrommaschinen Drehfeldmaschinen Wechselstrommaschinen Drehstrommaschinen 4 Elektrische Maschinen im Kfz Definition Betriebsarten rotierender elektrischer Maschinen: Motorisch Generatorisch 5 Elektrische Maschinen im Kfz Physik Generator: Wandler von mechanischer in elektrische Energie Nimm ein Magnetfeld und bewege darin einen elektrischen Leiter Folge: in dem bewegten Leiter wird wegen der „Lorentzkraft“ eine Spannung induziert 6 Elektrische Maschinen im Kfz Physik U i (v B) l v B l 7 Elektrische Maschinen im Kfz Physik Motor: Wandler von elektrischer in mechanische Energie Nimm zwei Magnete (Permanent- oder Elektro!) und bringe gleiche Pole zusammen Folge: die Pole drücken sich gegeneinander weg, sie bewegen sich 8 Elektrische Maschinen im Kfz Physik • Ursache ist das Induktionsgesetz von Faraday: F I (l B) I l B 9 Elektrische Maschinen im Kfz Physik Nur am Rande: Übertrager der magnetischen Kraft sind die Photonen! 10 Elektrische Maschinen im Kfz Physik Man nehme also: • bewegliche Elektronen z. B. in einem elektrischen Leiter • eine Änderung z. B. die Bewegung • ein Magnetfeld Experiment: Lenz‘sche Regel 11 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator Experiment: Wechselspannungserzeugung • Stator zweipolig permanenterregt • Rotor Doppel-T • Erkenntnis: konstantes magnetisches Feld, bewegter Leiter Induktionsspannung 12 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator 13 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator 14 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator Experiment: Spannungserzeugung • Stator zweipolig mit Spulen • Rotor zweipolig permanenterregt • Erkenntnis: variables magnetisches Feld, feststehender Leiter Induktionsspannung 15 Elektrische Maschinen im Kfz AC Servo Experiment: Drehspannungserzeugung • Stator dreipolig mit Spulen • Rotor zweipolig permanenterregt • Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen Spannung 16 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Synchrongenerator Experiment: Spannungserzeugung • Stator dreipolig mit Spulen • Rotor zweipolig mit Spulen • Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen Spannung 17 Elektrische Maschinen im Kfz Gleichstrommotor Gleichstrommotor • Häufig eingesetzt, z. B. als Fensterheber • sehr gut und einfach regelbar • Drehzahl hängt von der Spannung ab • nicht verschleißfrei • Generatorbetrieb im Kfz möglich U A 2 RA n M 2 c (c ) 18 Elektrische Maschinen im Kfz Gleichstrommotor Gleichstrommotor Wir bauen einen ... 19 Elektrische Maschinen im Kfz Drehstrom Drehstrom Strom der sich dreht? Natürlich nicht! Gemeint ist das „DrehFELD“ 20 Elektrische Maschinen im Kfz Drehstrom Drehfeld drei sinusförmige Wechselfelder jeweils um 120° verschoben Anschluss in Stern- oder Dreieckschaltung Also immer 3 Anschlüsse! 21 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Drehfeld Experiment: Drehfeldnachweis 22 Elektrische Maschinen im Kfz Asynchronmotor Asynchronmotor Aufbau 23 Elektrische Maschinen im Kfz Drehstrommotor Drehstrommotor • Selten eingesetzt im Kfz, z. B. Elektromechanische Lenkung • sehr gut regelbar, aber aufwändig • Leerlaufdrehzahl abhängig von Frequenz • verschleißfrei • Generatorbetrieb im Kfz nicht möglich f1 n1 p ' 2 U ' Mi ~ I2 n2 24 Elektrische Maschinen im Kfz Asynchronmotor Experiment: Kennlinienaufnahme 25 Elektrische Maschinen im Kfz Synchronmotor Aufbau Schenkelpolläufer Vollpolläufer 26 Elektrische Maschinen im Kfz Synchronmotor Synchronmotor • Nicht eingesetzt im Kfz • sehr gut regelbar, aber aufwändig • Drehzahl hängt von der Frequenz ab • nicht verschleißfrei • Generatorbetrieb im Kfz sehr gut möglich 27 Elektrische Maschinen im Kfz Synchronmotor Experiment: Kennlinienaufnahme 28 Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor AC-Servomotor 1/2 • „Servo“ = „Hilfs-“... • Permanenterregte Synchronmaschine • Bisher nicht eingesetzt im Kfz • sehr gut regelbar, aber aufwändig • Drehzahl hängt von der Spannung ab • verschleißfrei • Generatorbetrieb im Kfz möglich 29 Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor AC-Servomotor 2/2 • Rotorlageerkennung mit Sensorik nötig • Aufbau mit 3 preiswerten Hallsensoren • kein Drehmoment im Stillstand • Positions- und Drehrichtungserkennung • Rückwärtslauf bei Auspendelungen im Start/Stop-Betrieb 30 Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor Aufbau 31 Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor Experiment: Kennlinienaufnahme 32 Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor Einsatz im Parallelhybrid 33 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid Aufbau 34 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid Leistungselektronik AC 700 V AC DC 12 V DC 200 V 35 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid Funktion 36 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid Funktion 37 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid Funktion 38 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid Funktion 39 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid Funktion 40 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid Funktion 41 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid Wenn es der Ladezustand des Energiespeichers zulässt, in durch Kaltstartkann des VM Elektrisches Fahrzeug Anfahren steht, VM läuft und lädt über Stillstandsphasen imdie Stop-and-GoE-Maschine über oderdie Rangieren geschlossene (VM Kupplung K1 mit der Verkehr oder beim Ampelstopp der Kupplung K1steht,generatorisch Kupplung K1 betriebenen ist E-Maschine VM abgestellt werden (Motor-Start(ermöglicht Entfall des geöffnet). den elektrischen Energiespeicher Stopp). Die Bordnetzversorgung Motor-Starters) (elektro-chemische Batterie oder wird während dieser Phasen vom Doppelschichtkondensatoren) auf. Energiespeicher übernommen. Betriebszustände 42 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid Betriebszustände Wenn der VM ansynchronisiert ist, wird In Schubsituationen, z. B. beim der Schlupf an der Kupplung K1 Die Zustart Effizienz des der VM Umwandlung bei höheren von kinetischer in Bergabfahren, kann das abgebaut und der VM übernimmt die elektrische Fahrgeschwindigkeiten Energie in Schubsituationen oder oder beim Schubmoment durch Antriebsleistung. Die E-Maschine kann Bremsen bei kann einer noch dadurch erhöht werden, dass in generatorischen Betrieb der E- erhöhten in diesem Betriebszustand zeitweise ihr diesen Leistungsanforderung Betriebszuständen durch der VM mit seinem Maschine abgebildet werden. Die Drehmoment dem verbrennungsSchleppmoment Fahrer im über Schubbetrieb die durch Öffnen der Schubenergie wird so inden elektrische motorischen Drehmoment überlagern, Kupplung schlupfende K1 im abgekoppelt Kupplungund K1.abgestellt wird, also Energie gewandelt und so z. B. beim Boosten oder bei der nicht mitgeschleppt werden muss. Energiespeicher Nachbildung des Drehmoments der zwischengespeichert. Mit noch entfallenen Wandlerüberhöhung. höherer Leistung kann elektrische Energie beim Bremsen rekuperiert werden. 43 Elektrische Maschinen im Kfz Simulation eines Parallelhybrids AC-Servo mit RotorPendelmaschine FU-Motor als als als lagegeber Verbrennungsmaschine mechanische Last Elektromaschine 44 Elektrische Maschinen im Kfz Simulation eines Parallelhybrids Experiment: Simulation des Boost-Vorgangs 1/3 Ein FU-Motor übernimmt die Funktion des Verbrennungsmotors, ein AC-Servo die des E-Motors und eine Pendelmaschine die der mechanischen Last durch das Fahrzeug (hauptsächlich Rollreibung und Luftwiderstand) 45 Elektrische Maschinen im Kfz Simulation eines Parallelhybrids Experiment: Simulation des Boost-Vorgangs 2/3 Der FU-Motor treibt das System mit ~800 U/min an, die Pendelmaschine belastet es mit ~0,7 Nm. Die Wirkleistung, die der FUMotor aus dem Netz bezieht ist zu messen und sollte ca. 100 W betragen. 46 Elektrische Maschinen im Kfz Simulation eines Parallelhybrids Experiment: Simulation des Boost-Vorgangs 3/3 Nun wird der AC-Servo im Modus „Stromregelung“ aktiviert und der Strom langsam erhöht. Es ergibt sich eine Drehzahlerhöhung sowie eine Leistungsabnahme für den FU-Motor. 47
