Grundwissen Lernfeld 3 Elektrotechnik Der Elektromotor Elektrische Maschinen

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 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: 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 • Häufig eingesetzt, z. B. als Fensterheber • sehr gut und einfach regelbar • Drehzahl hängt von der Spannung ab • nicht verschleißfrei • Generatorbetrieb im Kfz möglich 18

Elektrische Maschinen im Kfz Gleichstrommotor Wir bauen einen. . . 19

Elektrische Maschinen im Kfz Drehstrom Strom der sich dreht? Natürlich nicht! Gemeint ist das „Dreh. FELD“ 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 Aufbau 23

Elektrische Maschinen im Kfz Drehstrommotor • Selten eingesetzt im Kfz, z. B. Elektromechanische Lenkung • sehr gut regelbar, aber aufwändig • Leerlaufdrehzahl abhängig von Frequenz • verschleißfrei • Generatorbetrieb im Kfz nicht möglich 24

Elektrische Maschinen im Kfz Asynchronmotor Experiment: Kennlinienaufnahme 25

Elektrische Maschinen im Kfz Synchronmotor Aufbau Schenkelpolläufer Vollpolläufer 26

Elektrische Maschinen im Kfz 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 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 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, kann in Kaltstart des VM durch Elektrisches Anfahren Fahrzeug steht, VM läuft und lädt über Stillstandsphasen im Stop-and-Godie E-Maschine über oder Rangieren (VM die geschlossene Kupplung K 1 mit der Verkehr oder beim Ampelstopp der Kupplung K 1 steht, Kupplung K 1 ist generatorisch betriebenen 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 K 1 Die Effizienz der Umwandlung von kinetischer in Zustart des VM bei höheren Bergabfahren, kann das abgebaut und der VM übernimmt die elektrische Energie in Schubsituationen oder beim Fahrgeschwindigkeiten oder Schubmoment durch Antriebsleistung. Die E-Maschine kann Bremsen kann noch dadurch erhöht werden, dass in bei einer erhöhten generatorischen Betrieb der Ein diesem Betriebszustand zeitweise ihr diesen Betriebszuständen der VM mit seinem Leistungsanforderung durch Maschine abgebildet werden. Die Drehmoment dem verbrennungs- Schleppmoment im Schubbetrieb durch Öffnen der den Fahrer über die Schubenergie wird so in elektrische motorischen Drehmoment überlagern, Kupplung K 1 abgekoppelt und abgestellt wird, also schlupfende Kupplung K 1. Energie gewandelt und im 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 Rotor. Pendelmaschine als FU-Motor als lagegeber als 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