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Innovative Elektrische Antriebe – erfolgreich durch Intelligenz und EffizienzVortrag 11. April 2008, ÖVE - Wien

Vergleich unterschiedlicher Antriebsmaschinen im Traktionsbereich

Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 1

Anlässlich des 80. Geburtstages von Univ.-Prof. Dr. techn. Hans Kleinrath

Univ.- Lektor Dr. techn. Dr. phil. Harald NeudorferTraktionssysteme Austria GmbH / Wr. Neudorf

Institut für elektrische Energiewandlung / TU Darmstadt

Vortragsübersicht

-Elektrisches Antriebssystem

- Maschinen- und Systemvergleich ASM – PSM – SRM für die Straße

• Elektromagnetische FE-Berechnungen

• Thermische FE-Berechnung

• Mechanische FE-Berechnung


• Mechanische FE-Berechnung

• Baugrößen- und Kostenvergleich

- Radnabenantrieb: Vergleich ASM-PSM-TFM für die Schiene

- Machinenvergleich ASM- PSM für ein Metro - Fahrzeug

- Zusammenfassung

Elektrisches Antriebssystem

- Grundstruktur des elektr. Antriebsstranges

U

Energiequelle Wechselrichter Traktionsmaschine


Ubat = UZK

Uverk

Asynchronmaschine ASM

PM-Synchronmaschine PSM

Switched Reluctance Masch. SRM

Gleichstrommaschine GSM

Transversalflußmaschine TFM

IGBT-WR

Transistor-WR

Straßenfahrzeuge Schienenfahrzeuge

Generator (Hybrid) Oberleitung bzw.

Batterie Stromschiene

Brennstoffzelle Traktionsgenerator

Superkondensator (Batterie)


Straßenfahrzeuge Schienenfahrzeuge

Lebensdauer 10 Jahre 30 Jahre

Kühlarten Flüssigkeitskühlung Luftkühlung / Flüssigkeitskühlung

Kühlmitteltemperatur80 – 100 °C bei Hybridfahrzeug

60 – 70 °C bei E-Fahrzeug

40 °C bei Luftkühlung

60 – 70 °C bei Flüssigkeitskühlung


Kühlmitteltemperatur60 – 70 °C bei E-Fahrzeug 60 – 70 °C bei Flüssigkeitskühlung

mech. max.

Stoßbeschleunigung bis 3 g (~ 30 m/s²) bis 30 g (~ 300 m/s²)

Leistungsbereich 5 - 100 kW 40 - 1700 kW

Maschinentype PSM (ASM, TFM, SRM) ASM (PSM)

technische

Auslegungskriterien

- Momenten- und Leistungsdichte

- Wirkungsgrad

- Betriebssicherheit

- Momenten- und Leistungsdichte

- Betriebssicherheit

- Temperaturbelastung


Maschine AS PSM SR GS TF

Momentendichte +/- ++ + - ++Wirkungsgrad +/- ++ +/- - +Masse + ++ + - ++Stand der Technik ++ + +/- ++ --


Stand der Technik ++ + +/- ++ --Wechselrichter + +/- - ++ --Kosten Maschine +/- - + -- -Kosten System +/- +/- - +/- -Fertigung + - ++ - --Geräusch + ++ - + --

AS: Asynchron-, PSM: Permanentmagnet-Synchron-, SR: Switched Reluctance-,

GS: Gleichstrom- TF: Transversalfluß-Maschine

Vergleich von unterschiedlichen Antriebsmaschinenfür Straßenfahrzeuge

Maschinenvergleich

Asynchronmaschine mit Variante A Aluminiumkurzschlußrotor IM Alu- Rotor

Asynchronmaschine mit Variante BKupferkurzschlußrotor IM Cu- Rotor


Permanenterregte Synchronmaschine Variante Cmit verteilter Wicklung und Oberflächenmagneten PM VW OFM

Permanenterregte Synchronmaschine Variante Dmit verteilter Wicklung und vergrabenen Magneten PM VW VM

Permanenterregte Synchronmaschine Variante Emit Einzelzahnwicklung und vergrabenen Magneten PM EZ VM

Geschaltene Reluktanzmaschine 12/8 Variante F SR 12/8

Auslegungsparameter von unterschiedlichen Antriebsmaschinen

100

120

140

160

Dre

hm

om

ent

M/N

m

30

35

40

45

50

Lei

stu

ng

P/k

W

M3

P3

P4

M4


0

20

40

60

80

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Drehzahl n/min-1

Dre

hm

om

ent

M/N

m

0

5

10

15

20

25

Lei

stu

ng

P/k

W

M S2 2min M S1 Mmax P S2 2min P S1 Pmax

P1

P2

M2

M1

Elektrische Traktionsmaschine - ASM

Variante A: ASM mit Aluminiumkurzschlußrotor IM 1815

150 °C90 °C

155 °C90 °C


Thermische FE-Berechnung Längsschnitt

P=15 kW S1, n=2800 min-1

Statorwicklung δmax = 155 °C

Thermische FE-Berechnung Querschnitt

P=15 kW S1, n=2800 min-1

Rotorwicklung δmax = 210 °C

210 °C 120 °C

140 °C

210 °C


ASMIM 1815

η 88,5%

ηmax. 90,1 %

WR+ASM


ηmax. 88,5%

WR+ASM

@2800min-1, 50 Nm

WR+ASM


Variante B: ASM mit Kupferkurzschlußrotor IM 1813 lfe = 130 mm 90 °C

90 °C


Thermische FE-Berechnung

P=15 kW S1, n=2800 min-1



P=15 kW S1, n=12000 min-1


195 °C

175 °C150 °C

205 °C

Elektrische Traktionsmaschine - PSM

Variante C: PSM mit verteilter Wicklung und Oberflächenmagneten PM 1812

Vergußmasse

lfe = 130 mm


Rotor mit Oberflächen-Permanentmagneten

und Kohlefaserbandage

Querschnitt

Rotorblechpakete in geschrägter Anordnung

PM



0,45000

0,50000

0,55000

0,60000

0,65000

Ld=f(Id) bei Iq=konst.

0,60000-

0,650000,55000-

0,60000

Ld


Längsinduktivität Ld in Abhängigkeit vom

Längsstrom Id und Querstrom Iq

35,570,9 106,4

141,8 177,3212,8

248,2283,7

319,1354,6

Iq=7,1A

Iq=106,4A

Iq=248,2A

Iq=354,6A

0,00000

0,05000

0,10000

0,15000

0,20000

0,25000

0,30000

0,35000

0,40000

Ld

/mH

Id/A

0,600000,50000-

0,550000,45000-

0,500000,40000-

0,450000,35000-

Elektromagnetische FE-Berechnung

Induktion B im Stator- und Rotorblech

0,2 T

1,1 T

1,9 T

Iq

Id



155 °C 90 °C 115 °C

160 °C


Thermische FE-Berechnung P = 15 kW S1, n = 2800 min-1

Permanentmagnete δmax = 120 °C

120 °C 115 °C 95 °C

90 °C


Variante D: PSM mit verteilter Wicklung und vergrabenen Magneten PM 1812

lfe = 120 mm Rotorschrägung


Rotor aus Rotorsegmenten mit vergrabenen Magneten Querschnitt

Rotorsegmente

Magnete

Elektrische Traktionsmaschine PSM


0,55000

0,60000

0,65000

0,70000

0,75000

0,80000

0,85000

Ld=f(Id) bei Iq=konst.

0,80000-

0,850000,75000-

0,80000

Ld1,4 T



Induktion B im Stator- und Rotorendblech

Längsinduktivität Ld in Abhängigkeit

vom Längsstrom Id und Querstrom Iq

35,570,9 106,4

141,8 177,3212,8

248,2283,7

319,1354,6

Iq=7,1A

Iq=106,4A

Iq=248,2A

Iq=354,6A

0,00000

0,05000

0,10000

0,15000

0,20000

0,25000

0,30000

0,35000

0,40000

0,45000

0,50000

0,55000

Ld

/mH

Id/A

0,800000,70000-

0,750000,65000-

0,700000,60000-

0,650000,55000-2,2 T

1,1 T

IqId



380 N/mm²


Mechanische FE-Berechnung

Vergleichsspannung im Rotorblechpaket

bei n = 0 min-1

Mechanische FE-Berechnung

Vergleichsspannung im Rotorblechpaket

bei n = 12000 min-1

69 N/mm²

140 N/mm²

82 N/mm²


Variante E: PSM mit Einzelzahnwicklung und vergrabenen Magneten PM 1812

lfe = 120 mm


Variante E1: Querschnitt ohne Polschuh Variante E2: Querschnitt mit Polschuh

Vergrabene Magnete in V-Anordnung (Flußkonzentration)


0,40000

0,45000

0,50000

0,55000

0,60000

Lq=f(Iq) bei Id=konst.

0,55000-0,600000,50000-0,550000,45000-

1,3 T Lq


35,5 70,9 106,4141,8

177,3212,8

248,2283,7

319,1354,6

Id=354,6A

Id=301,4A

Id=248,2A

Id=177,3A

Id=106,4A

Id=56,7AId=7,1A

0,00000

0,05000

0,10000

0,15000

0,20000

0,25000

0,30000

0,35000

0,40000

Lq

/mH

Iq/A

0,550000,45000-0,500000,40000-0,450000,35000-0,400000,30000-0,35000


Induktion B im Stator- und Rotorblech

Variante E1 ohne Polverbreiterung

Querinduktivität Lq in Abhängigkeit

vom Querstrom Iq und Längsstrom Id

2,0 T

1,1 T

2,1 T

Iq

Id

Elektrische Traktionsmaschine - SRM

Variante F: SRM 12/8 SR 1817 lfe = 170 mm


Blechquerschnitt

12 Statorzähne, 8 Rotorzähne

Motorbaureihe 18

Aluminiumgehäuse mit Steckeranschluß

Drehzahllagergeber und Temperaturgeberanschluß

Elektrische Traktionsmaschine - SRM

Variante F: SRM 12/8 SR 1817

90 °C

90 °C 150 °C



P = 15 kW S1, n = 2800 min-1

Rotorblechpaket δmax = 140 °C


P = 15 kW S1, n = 2800 min-1

Statorwicklung δmax = 150 °C

145 °C

135 °C

100 °C

Vergleich von unterschiedlichen Antriebsmaschinen

Statoraußendurchmesser 176,6 176,6 176,6 176,6 176,6 176,6

Eisenlänge 150 130 120 120 120 170

IM Alu-Rotor IM-Cu-Rotor PM-VW-OFM PM-VW-VM PM-EZ-VM SR 12/8


Eisenlänge 150 130 120 120 120 170

Gesamtvolumen 10,5 9,6 9,2 9,2 7,3 9,1

Gesamtmasse 38,0 37,7 31,9 32,2 30,3 35,4

Aktivmasse 24,8 25,3 19,8 20,1 19,3 23,3

Drehmoment S1 @ 2800 min-1 51 51 51 51 51 51

Esson‘sche Leistungszahl 2,85 3,28 3,55 3,57 3,72 2,73

Wirkungsgrad @ 15kW, 2800 min-1 88,5 87,7 90,7 91,9 91,5 89,8

Drehmoment/Gesamtmasse 1,34 1,36 1,60 1,59 1,70 1,45

Wirkungsgrad @ 15 kW, 12500 min-1 87,3 88,5 79,8 84,3 91,9 89,9

Max. Leistung @ IZK = 320 A 42,4 44,0 40,1 44,0 44,3 36,1


60

80

100

120

Mas

se in

%


0

20

40

60

Variante A Variante B Variante C Variante D Variante E Variante F

Motortypen

Mas

se in

%

Stator Cu Stator Fe Rotor Cu/Al Magnet Rotor Fe Welle Passivteile (Gehäuse und LS)

Massenaufteilung in %


60

80

100

120

Ko

sten

in %


0

20

40


Motorvarianten

Ko

sten

in %

Stator Aktivteile Rotor Aktivteile PassivteileMaterialgemeinkosten MGK Fertigungkosten und FGK Sonstiges

Motorkosten in %


60

70

80

90

100

110

Ko

sten

in %


0

10

20

30

40

50


Motorvarianten

Ko

sten

in %

Batterie Getriebe Anschlußleitungen WR Motor

Gesamtkosten in %


Kriterien Variante A Variante B Variante C Variante D Variante E Variante F

Bewertung nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien


Kriterien Variante A Variante B Variante C Variante D Variante E Variante F

IM AI-Rotor IM Cu-Rotor PM VW OFM PM VW VM ME EPW VM SR 12/8

Bewertung Summe 57 56 56 51 43 57

Reihenfolge Bewertung 5 4 3 2 1 5Bewertung x techn. Wertung 316 324 352 328 272 362

Reihenfolge Bewert. x techn. Wertung 2 3 5 4 1 6Bewertung x wirt. Wertung 380 370 346 328 274 368

Reihenfolge Bewert. x wirt. Wertung 6 5 3 2 1 4Bewertung x (techn. + wirt. Wertung) 696 694 698 656 546 730

Reihenfolge gesamt 3 3 3 2 1 6

Radnabenantrieb Vergleich ASM – PSM – TFM

Asynchronmaschine Permanentmagnet

SynchronmaschineTransversalflußmaschine


Vergleichsdaten: ASM PSM TFM

Außendurchmesser 440 mm 440 mm 440 mm

Polpaarzahl 4 4 30

Motorlänge 460 mm 460 mm 460 mm

Eisenlänge 260 mm 260 mm 290 mm

Radnabenantrieb mit Asynchronmaschine

Stator: Zweischichtwicklung

Rotor: Kupfer-Kurzschlussläufer

Massiver Rotor mit massiven Rotorzähnen

Vorteile: - Direktantrieb ohne Getriebe


Asynchronmaschine mit

massivem Rotorkörper

- einfache Regelung

- einfaches Schutzkonzept

Nachteile: - Rotorverluste

- Wirkungsgrad durch niedrige Drehzahl

und relativ hohen Schlupf

Stator: geschrägte Nuten (sonst ident ASM)

Rotor: 8-polige Anordnung von

Permanentmagneten (Neodym-Eisen-Bor)

Radnabenantrieb mit Permanentmagnet-Synchronmaschine


Vorteile: - geringere Rotorverluste (gegenüber ASM)

- besserer Wirkungsgrad

Nachteile: - Verwendung eines Polradlagegebers

- komplexere Schutztechnik

- Feldschwächung durch negativen Id-Strom

- Temperaturgrenze der Permanent-

magneten (160 °C)

Permanenterregte

Synchronmaschine mit

Oberflächenmagneten

Radnabenantrieb mit Transversalflußmaschine

Stator: hochpolige Anordnung von U-Jochen

3 Einphasige-Statorringwicklungen

Rotor: hochpolige Anordnung von Permanentmagneten

Oberflächen- oder Flußkonzentrationsanordnung


Vorteil: höherer Wirkungsgrad

geringere Rotorverluste (gegenüber ASM)

höheres Drehmoment/Motormasse

hohe Streuung: niedrigerer Kurzschlußstrom

einfach automatisierbarer Produktionsprozeß

Nachteil: hohe Statorgrundfrequenz (bis über 1 kHz)

hohe Streuung – höherer Blindleistungsbedarf

Verwendung Polradlagegeber Transversalflußmaschine

mit Oberflächenmagneten

ASM PSM TFM

Drehmoment pro Aktivvolumen +/- (100 %) + (130 %) + (150 %)

Drehmoment pro Aktivmasse +/- (100 %) + (130 %) + (160 %)

Verluste + (100 %) + (75 %) + (90 %)

Gruppenantrieb + - -

Vergleich ASM – PSM – TFM - Bewertung


magnetisches Geräusch + + -

Störfälle + - -

Stoß- und Schwingungsbelastung + - (?) - (?)

Korrosionsanfälligkeit + - -

Kosten +/- (100 %) - (125 %) (?) - (150 %) (?)

Wartung + - (?) - (?)

+ Vorteil - Nachteil

+/- neutral ? Noch keine Fertigungs- bzw. Betriebserfahrung

Quelle: Diss. Hackmann TU-Darmstadt


• Zusammenfassung Systemvergleich ASM - PSM – SRM – TFM

-Für Straße- PSM mit Einzelzahnwicklung und vergrabenen Magneten hat beste

Gesamteigenschaften - PSM Vorteilen in den Bereichen

• Wirkungsgrad im Kennlinienfeld • Momentendichte bzw. Leistungsdichte

- Kostenvorteile (Maschine alleine) für SRM


- Kostenvorteile (Maschine alleine) für SRM- Kostenneutral bei Betrachtung des Gesamtsystems - PSM Nachteile durch Schlepp- bzw. Auslaufverluste- Ergebnis des Vergleiches auch von Bauart (Hybridsystem) abhängig- Hersteller von Hybridfahrzeugen (Toyota, Lexus, DC,..) verwenden als

Antriebseinheit die PSM mit vergrabenen Magneten

-Für Schiene- ASM die Antriebsmaschine im erprobten Einsatz- PSM als Traktionsmotor: Optimierung beim Schutzkonzept noch notwendig

als Traktionsgenerator: die Zukunftslösung

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!


Lieber Hans – lieber Prof. Kleinrath!Danke für Deine Unterstützung

– Danke für Deine Wissensvermittlung!

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