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Yokogawa Power-Meter Seminar19. April 201219. April 2012

Optimierung des Teillast-Wirkungsgrades elektrischer Antriebe

Dieter Gerling, Klaus MühlbauerUniversität der Bundeswehr München

Gurakuq DajakuGurakuq DajakuFEAAM GmbH, Neubiberg, Germany

EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling

Optimierung des Teillast-Wirkungsgradeselektrischer Antriebe

In den meisten Anwendungsfällen elektrischer Antriebe ist d T ill tb t i b t h id d

elektrischer Antriebe

der Teillastbetrieb entscheidend

Beispiele:

Pumpen und Lüfter in der Industrie– Pumpen und Lüfter in der Industrie

– Haushaltsgeräteg

– Windkraftgeneratoren

– Traktionsantriebe (z.B. Automobilindustrie)


Optimierung des Teillast-Wirkungsgradeselektrischer Antriebeelektrischer Antriebe

Traktionsantriebe

Gehirn: IKT(„bits and bytes don‘t

Traktionsantriebe

(„bits and bytes don tmove you forward“)

H B tt iHerz: Batterie,Leistungselektronik

Beine: E-Motor



Übersicht


– Anforderungen und Randbedingungen

O ti i d T ill t Wi k d– Optimierung des Teillast-Wirkungsgrades

• Optimierung des E-Motors

• Optimierung der Leistungselektronik

• Systemsimulationy

– Wirtschaftliche Auswirkungen

Z f– Zusammenfassung



Charakteristische Betriebspunkte


25025 kW 75 kW 125 kW reference point torque / Nm speed / min-1

1 (maximum power) 250 4700

2 (high load) 250 250

150

200

m]

2 (high load) 250 2503 (high load) 200 2504 (high load) 190 50005 (climbing) 120 1565

100

150

torque

[N

5 (climbing) 120 15656 (climbing) 64 40007 (FTP cycle) 70 18008 (FTP cycle) 20 2800

50

8 (FTP cycle) 20 28009 (FTP cycle) 20 650010 (FTP cycle) 20 9500

0

0 2000 4000 6000 8000 10000speed [rpm]


speed [rpm]


Randbedingugen für den Vergleich verschiedener E-M t


Motoren

– maximale Spannung: 300V– maximales Kurzzeit-Drehmoment: 250Nm @ 4700rpm– maximale Drehzahl: 12 000rpm

D h t lli k it < 5% (b i i d i D h hl)– Drehmomentwelligkeit: < 5% (bei niedriger Drehzahl)– Temperatur: Stator 100°C, Rotor 70°C– aktives Volumen: Statoraußendurchmesser 220mm,aktives Volumen: Statoraußendurchmesser 220mm,

Blechpaketlänge130mm– Luftspalt: 1mm – gleiches Magnetvolumen, Kupfergewicht, Eisenmaterial und -volumen– gleiche maximale mechanische Belastung– gleiche Entmagnetisierungsfestigkeit


– gleiche Entmagnetisierungsfestigkeit


Vor- und Nachteile verschiedener Wicklungstopologien

Verteilte Wicklung (Standard):- sinusförmige Feldverteilung

hohe Anzahl von Nuten pro Pol

Konzentrierte Wicklung:- kompaktes Design

kurze wenig komplexe Wickelköpfe- hohe Anzahl von Nuten pro Pol- große Wickelköpfe; hohe parasitäre Endeffekte- hohe Kupferverluste- hohe Produktionskosten

- kurze, wenig komplexe Wickelköpfe- geringe Kupferverluste- geringe Produktionskosten- große Anzahl hoher Feldoberwellen


g oße a o e e dobe e e


Vor- und Nachteile verschiedener Wicklungstopologien



Konzentrierte Wicklung mit verbesserten Eigenschaften

Verluste

MMF der Standard 12/10-Maschine MMF der verbesserten 12/10-Maschine



Lösung: unterschiedliche Windungszahlen innerhalb einer Spule

Alternative Lösungensind möglich


Quelle: Patent der FEAAM GmbH


Vergleich der Rotor (Magnet) Verluste

30

35 no-loadconv. winding, under loadnew winding, under load

25

ss [

W ]

15

20

dy C

urre

nt L

os

5

10

Edd

500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

5

speed [ rpm]


p [ p ]


Verteilung der Wirbelstromverluste in Ob flä h tOberflächenmagneten

Standard 12-Nuten / 10-Pole Wicklung Verbesserte 12-Nuten / 10-Pole Wicklung



24 Nuten / 10 Pole vs. 12 Nuten / 10 Pole

VerlusteRadialkräfte akustische Geräusche

MMF der Standard 12/10-Maschine MMF der 24/10-Maschine



Resultierende MMF für zwei Wicklungssysteme

distribution factor



Realisierung Schritt 1: Reduktion der 7. Harmonischen

MM

F12 Nuten / 10 Pole

Verdoppelung der Nutenzahl

Har

mon

ics

zusätzliche konzentrierte Wicklung

MM

F H

K bi ti

Verschobene Wicklungssysteme


Quelle: Patent der FEAAM GmbHKombination


Realisierung Schritt 2: Reduktion der 1. und 7. H i hHarmonischen1. Komplette Reduktion der 7. Harmonischen durch unterschiedliche Zahnbreiten

2. Reduktion der 1. Sub-Harmonischen durch:unterschiedliche Windungszahl innerhalb einer Spule Alternative Lösungen

sind möglichg

MF

Har

mon

ics

MM

Space Harmonics


Space HarmonicsQuelle: Patent der FEAAM GmbH


Realisierte Maschine



Verschiedene Maschinendesigns12 l t / 10 l PM hi 48 l t / 8 l PM hi24 l t / 10 l PM hi12-slots / 10-poles PM machine

Concentrated winding with q = 0.448-slots / 8-poles PM machine

Distributed winding with q = 224-slots / 10-poles PM machine

New winding with q = 0.8

onic

s

onic

s

mon

ics

MM

F H

arm

o

MM

F H

arm

MM

F H

arm



Standard-Maschine und neues Maschinendesign

Standard Design New Machine Design

– 3 phases– 48 stator slots

8 l ( 2)

– 3 phases– 24 stator slots

– 8 poles (q=2)– buried magnets– distributed winding with

– 10 poles– buried magnets– new development starteddistributed winding with

short-pitch of 1 slot– new development started

from initial well-known12 slots / 10 poles version

– doubled stator slots withshifted winding topology



Vergleich des Maximalmomentes



Vergleich der Drehmomentwelligkeit (ohne Schrägung)

Standard Maschine(Welligkeit 16%)

Neues Maschinendesign(Welligkeit 3%)


( g ) ( g )


Vergleich des Wirkungsgrades

Standard Maschine Neues Maschinendesign



Wirkungsgrad-Differenz



CADC-Zyklus: Drehmoment und Drehzahl versus Zeit



Systemsimulation



Kumulative Energieverluste der Elektrischen Maschine(i CADC Z kl )(im CADC-Zyklus)

7x 105 Energy losses of electric machine

5

6 Standard Motor-16%

3

4

Ene

rgy

[J]

1

2

DA-PM1Neues Motordesign

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000

Time [s]

DA-PM2Neues Motordesign

Im FTP 72 Zyklus: ca 20% (Verlustreduktion)


Im FTP 72 - Zyklus: ca. -20% (Verlustreduktion)


Modell der Leistungselektronik

Differential resistance of transistor: rTDifferential resistance of diode: rDThreshold voltage of transistor: UT0Threshold voltage of transistor: UT0Threshold voltage of diode: UD0Switching on & off losses of transistor: Eon, EoffSwitching off losses of diode: Erec

Forward characteristics Switching characteristics

g

IGBT diode IGBT diode

cos1ˆcos1ˆ 2IrIuP DCUdiEdiEdiEfP

222

)(1)(1)(1


38820 IrIuP TDTDcTD

DCref

DCDrecToffTTonTSs U

diEdiEdiEfP

000

)(2

)(2

)(2


Validierung des Modells durch Messungen

farbig: Messwerte

d k lbl i htdunkelblau: nicht gemessen

* * * * : Fahrzyklus

gute Übereinstimmungzwischen Messwertenund Berechnungeng



Validierung des Modells durch Messungengute Übereinstimmungzwischen Messwertenund Berechnungen7

8x 105 Energy losses of power electronic

5

6

3

4

Ene

rgy

[J]

2

3

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000

1

Time [s]

MeasurementCalculation


e [s]


Kumulative Energieverluste der Leistungselektronik(i CADC Z kl )(im CADC-Zyklus)

12x 105 Energy losses of power electronics

9

10

11

12

Standard Motor

5

6

7

8

Ene

rgy

[J]

-26%

2

3

4

DA PM1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000

1

Time [s]

DA-PM1DA-PM2

Neues Motordesign



Untersuchung verschiedener IGBT-Generationen

12x 105 Energy losses of power electronics

Standard Motor, IGBT Gen 2

8

10

J]

Standard Motor , IGBT Gen 3

4

6

Ene

rgy

[J

Neues Motordesign, IGBT Gen 2

Neues Motordesign, IGBT Gen 3

0

2DA-PM1 IGBT2DA-PM1 IGBT3DA-PM2 IGBT2DA-PM2 IGBT3

Verbesserungen gelten auch für neue IGBT Generation

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100Time [s]


Verbesserungen gelten auch für neue IGBT-Generation


Teillast-Optimierte Leistungselektronik

T1 D1

AnsteuerungControl

Treiber Driver

Optimierung hinsichtlich der Verteilung vonSchaltverlusten und Leitverlusten



Kumulierte Energieverluste der Leistungselektronik(i CADC Z kl )(im CADC-Zyklus)Standard Motor, IGBT Gen 3

x 105 Energy losses of power electronics

8

9

10x 10

Standard Leistungselektronik

5

6

7

nerg

y [J

]

-13%

2

3

4En

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000

1

Time [s]

matchedoptimized

Neue Leistungselektronik



Kumulierte Energieverluste der Leistungselektronik(i CADC Z kl )(im CADC-Zyklus) neues Motordesign, IGBT Gen 3

x 105 Energy losses of power electronics

8

9

10x 10

Standard Leistungselektronik

5

6

7

ergy

[J]

-13%

2

3

4Ene

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000

1

2

Time [s]

matchedoptimized

Neue Leistungselektronik


Time [s]


Wirtschaftliche Auswirkungen– Randbedingung: gleiches Material, deshalb gleiche Materialkosten– geringere Motorkosten wegen

• geringere Nutenzahl, vereinfachtes Wicklungsdesign• keine Schrägung notwendig• geringere Verlustege ge e e uste• geschätzt: -10%

– geringere Leistungselektronikkosten wegenS• geringeres Stromniveau

• geringere Verluste• geschätzt: -10%g

– geringere Batteriekosten wegen• geringere Verluste in Motor und Leistungselektronik

hät t 1 5%


• geschätzt: -1.5%


Wirtschaftliche Auswirkungen (cont‘d)g ( )– beispielhafte Abschätzung: Batteriefahrzeug

• heutige Kosten des elektrischen Antriebsstranges mit Standard Motor: 12.000,- €(20% Motor, 30% Leistungselektronik, 50% Batterie)(20% Motor, 30% Leistungselektronik, 50% Batterie)

• Reduktion mit neuem Antriebsstrang auf: 11.310,- €

• Angenommenes jährliches Produktionsvolumen: 100 000

• jährliche EINSPARUNGEN: 69 Mio. €



Zusammenfassung– neues E-Motor Design mit herausragenden Eigenschaften

• hohes Drehmoment, geringe Drehmomentwelligkeith h (T ill ) Wi k d• hoher (Teillast-) Wirkungsgrad

– neue Leistungselektronik mit Optimierung des Teillast-Wirkungsgradesg g

– besondere Vorteile in typischen Fahrzyklen– Kostenreduktion bei

• Motor • Leistungselektronik• Batterie

– hohe Einsparungen für den gesamten elektrischen Antriebsstrang– Design von E-Motor und Leistungselektronik ist auch anwendbar auf

l kt i h t S h hi d A h hi


elektrisch erregte Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen

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