grundwissen / lernfeld 3 elektrotechnik: der elektromotor

Grundwissen / Lernfeld 3Grundwissen / Lernfeld 3

Elektrotechnik:

Der Elektromotor

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Elektrische Maschinen im KfzDefinition

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.

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Elektrische Maschinen

Ruhende Nicht-ruhende

(Transformator)

Rotation Translation(Linearmotor)

Motor Generator

... im Auto?Klar, die Zündspule!

Die kennen wir alle aus dem

Auto!

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Gleichstrommaschinen

Drehfeldmaschinen

Wechselstrommaschinen

Drehstrommaschinen

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Betriebsarten rotierender elektrischer Maschinen:

Motorisch

Generatorisch

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Elektrische Maschinen im KfzPhysik

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

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lBvlBvU i )(

8


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

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BlIBlIF )(

• Ursache ist das Induktionsgesetz von Faraday:

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Nur am Rande: Übertrager der magneti-schen Kraft sind die Photonen!

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Man nehme also:

• bewegliche Elektronen z. B. in einem elektrischen Leiter

• eine Änderung z. B. die Bewegung

• ein Magnetfeld

Experiment: Lenz‘sche Regel

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Elektrische Maschinen im KfzELM Generator

Experiment: Wechselspannungserzeugung

• Stator zweipolig permanenterregt

• Rotor Doppel-T

• Erkenntnis: konstantes magnetisches Feld, bewegter Leiter Induktionsspannung

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Experiment: Spannungserzeugung

• Stator zweipolig mit Spulen

• Rotor zweipolig permanenterregt

• Erkenntnis: variables magnetisches Feld, feststehender Leiter Induktionsspannung

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Elektrische Maschinen im KfzAC Servo

Experiment: Drehspannungserzeugung

• Stator dreipolig mit Spulen

• Rotor zweipolig permanenterregt

• Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen Spannung

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Elektrische Maschinen im KfzELM Synchrongenerator

Experiment: Spannungserzeugung

• Stator dreipolig mit Spulen

• Rotor zweipolig mit Spulen

• Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen Spannung

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Elektrische Maschinen im KfzGleichstrommotor

Gleichstrommotor

• Häufig eingesetzt, z. B. als Fensterheber

• sehr gut und einfach regelbar

• Drehzahl hängt von der Spannung ab

• nicht verschleißfrei

• Generatorbetrieb im Kfz möglich

Mc

R

c

Un AA

2)(

2

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Elektrische Maschinen im KfzGleichstrommotor

Gleichstrommotor

Wir bauen einen ...

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Elektrische Maschinen im KfzDrehstrom

Drehstrom

Strom der sich dreht?

Natürlich nicht!Gemeint ist

das „DrehFELD“

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Elektrische Maschinen im KfzDrehstrom

Drehfeld

drei sinusförmige Wechselfelder jeweils um 120° verschoben

Anschluss in Stern- oder Dreieckschaltung

Also immer 3 Anschlüsse!

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Elektrische Maschinen im KfzELM Drehfeld

Experiment: Drehfeldnachweis

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Elektrische Maschinen im KfzAsynchronmotor

Asynchronmotor Aufbau

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Elektrische Maschinen im KfzDrehstrommotor

Drehstrommotor

• Selten eingesetzt im Kfz, z. B. Elektromechanische Lenkung

• sehr gut regelbar, aber aufwändig

• Leerlaufdrehzahl abhängig von Frequenz

• verschleißfrei

• Generatorbetrieb im Kfz nicht möglich

p

fn 11 '

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'2~ In

UM i

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Elektrische Maschinen im KfzAsynchronmotor

Experiment: Kennlinienaufnahme

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Elektrische Maschinen im KfzSynchronmotor

Aufbau

Schenkelpolläufer Vollpolläufer

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Synchronmotor

• Nicht eingesetzt im Kfz

• sehr gut regelbar, aber aufwändig

• Drehzahl hängt von der Frequenz ab

• nicht verschleißfrei

• Generatorbetrieb im Kfz sehr gut möglich

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Elektrische Maschinen im KfzAC-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

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Elektrische Maschinen im KfzAC-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

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Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor

Aufbau

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Einsatz im Parallelhybrid

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Elektrische Maschinen im KfzParallelhybrid

Aufbau

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Leistungselektronik

AC700 V

AC

DC200 V

DC12 V

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Funktion

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Funktion

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Funktion

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Funktion

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Funktion

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Funktion

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BetriebszuständeKaltstart des VM durch die E-Maschine über

Kupplung K1 (ermöglicht Entfall des

Motor-Starters)

Fahrzeug steht, VM läuft und lädt über die geschlossene Kupplung K1 mit der generatorisch betriebenen E-Maschine

den elektrischen Energiespeicher (elektro-chemische Batterie oder

Doppelschichtkondensatoren) auf.

Wenn es der Ladezustand des Energiespeichers zulässt, kann in

Stillstandsphasen im Stop-and-Go-Verkehr oder beim Ampelstopp der VM abgestellt werden (Motor-Start-

Stopp). Die Bordnetzversorgung wird während dieser Phasen vom Energiespeicher übernommen.

Elektrisches Anfahren oder Rangieren (VM

steht, Kupplung K1 ist geöffnet).

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Betriebszustände

Wenn der VM ansynchronisiert ist, wird der Schlupf an der Kupplung K1

abgebaut und der VM übernimmt die Antriebsleistung. Die E-Maschine kann in diesem Betriebszustand zeitweise ihr

Drehmoment dem verbrennungs- motorischen Drehmoment überlagern,

so z. B. beim Boosten oder bei der Nachbildung des Drehmoments der entfallenen Wandlerüberhöhung.

In Schubsituationen, z. B. beim Bergabfahren, kann das

Schubmoment durch generatorischen Betrieb der E-

Maschine abgebildet werden. Die Schubenergie wird so in elektrische

Energie gewandelt und im Energiespeicher

zwischengespeichert. Mit noch höherer Leistung kann elektrische Energie beim Bremsen rekuperiert

werden.

Die Effizienz der Umwandlung von kinetischer in elektrische Energie in Schubsituationen oder beim

Bremsen kann noch dadurch erhöht werden, dass in diesen Betriebszuständen der VM mit seinem

Schleppmoment im Schubbetrieb durch Öffnen der Kupplung K1 abgekoppelt und abgestellt wird, also

nicht mitgeschleppt werden muss.

Zustart des VM bei höheren Fahrgeschwindigkeiten oder

bei einer erhöhten Leistungsanforderung durch

den Fahrer über die schlupfende Kupplung K1.

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Elektrische Maschinen im Kfz Simulation eines Parallelhybrids

FU-Motor alsVerbrennungsmaschine

AC-Servo mit Rotor-lagegeber als

Elektromaschine

Pendelmaschine alsmechanische Last

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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)

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Experiment:


Der FU-Motor treibt das System mit ~800 U/min an, die Pendelmaschine belastet es mit ~0,7 Nm. Die Wirkleistung, die der FU-Motor aus dem Netz bezieht ist zu messen und sollte ca. 100 W betragen.

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Elektrische Maschinen im KfzSimulation eines Parallelhybrids

Experiment:


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.

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