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Trends und Herausforderungenbei zukünftigen E-Maschinenbei zukünftigen E-Maschinen

und Transformatoren

ZVEI, 26.10.2011, Fulda, ,

Dieter GerlingUniversität der Bundeswehr München

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

Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren

Übersicht

E Maschinen und Transformatoren

– Treibende Kräfte / Herausforderungen

– Wirkungsgrad, Kühlung

– Materialien

– Wicklungsdesign

– Zusammenfassung– Zusammenfassung



Treibende Kräfte für neue Entwicklungen


– Automobil-Industrie• Kosten• Kosten• Integration (Volumen, Gewicht, Massenfertigung), Wirkungsgrad

– Windkraft-Industrie• Kosten• Leistung Wirkungsgrad• Leistung, Wirkungsgrad

– Gesetzliche Rahmenbedingungen• Wirkungsgrad• Recyclingfähigkeit



Zukünftige Herausforderungen


– Kosten

– Wirkungsgrad (auf System- und Komponentenebene)

– Wärmeabfuhr, Kühlung

– Materialien (Verfügbarkeit, Verbesserung)

– Wicklungsdesign– Wicklungsdesign

– Weitere Eigenschaften (z.B. EMV, Akustik, …)


g ( )


Drehmomentberechnung (z.B. PM-Maschinen mit Oberflächenmagneten)


2PMT r A B cos

Flussdichte: Erhöhung durch verbesserte(PM d Ei ) M i li(PM- und Eisen-) Materialien

Strombelag: Erhöhung durch Verbesserung beiWirkungsgrad und Wärmeabfuhr



Wirkungsgrad: Drehzahlvariable Antriebe für höheren S t Wi k d


System-Wirkungsgrad

T i h B i i l P Lüft T kti– Typische Beispiele: Pumpen, Lüfter, Traktion

– Drehzahlregelung statt Maximale Drehzahl plus Drosselventil“Drehzahlregelung statt „Maximale Drehzahl plus Drosselventil

– Optimierung auf Teillast-Betrieb

– Zu betrachtende Komponenten: Elektrische Maschine Leistungselektronik und RegelungElektrische Maschine, Leistungselektronik und Regelung

– Optimierung als System für spezifische Applikationen


p g y p pp


Wirkungsgrad: Komponente Elektrische Maschine (A f d )


(Anforderungen)Wirkungsgrad-klassen nachklassen nachIEC 60034-30

cien

cy(%

)ef

fi

Quelle:


nominal power (kW) http://www.motorchallenge.ch/docs/files


Wirkungsgrad: Komponente Elektrische Maschine ( ö li h Lö )


(mögliche Lösungen)

Dü d b Ei bl h R d kti d– Dünnere und bessere Eisenbleche zur Reduktion der Wirbelstromverluste aber: Materialkosten, Produktionskosten

– Asynchronmaschine mit Kupfer-Käfig aber: Verfügbarkeit und Kosten von Kupfer; Kosten von Kupfer Gußaber: Verfügbarkeit und Kosten von Kupfer; Kosten von Kupfer-Guß

– Permanentmagnetmaschinegaber: Verfügbarkeit und Kosten von NdFeB-Magneten

Wi kl d i (k t i t S l t ilt Wi kl )


– Wicklungsdesign (konzentrierte Spulen vs. verteilte Wicklung)


Kühlung


– Materialien (Isolation, Vergussmasse)

– Motordesign (Beispiel: 12/10 PM-Maschine)• Reduzierte Verluste (reduzierte Sub-Harmonische der MMF-Verteilung)

• Verbesserte Kühlungsmöglichkeit (Kühlkanäle direkt an der Wicklung)

Conventional StatorNew Stator with flux barriers

B (

p.u.

)


Quelle: FEAAM GmbH


Kühlung


– exaktere Temperaturberechnung (Prinzip bei verteilten Verlusten)• Einfaches Beispiel

exakte analytische Berechnung / FEMkonventionelles Ersatzschaltbild

• Verbesserung: Einfügen von Kompensationselementen

konventionelles Ersatzschaltbildverbessertes Ersatzschaltbild



Kühlung


– exaktere Temperaturberechnung (elektrische Maschine)



Materialien: Kupfer (Länder mit Kupfer-Abbau)


Quelle:


www.welt-auf-einen-blick.de/bodenschaetze


Materialien: Kupfer (Kostenentwicklung)


US$ pro Tonnevs.Z it (2003 2011)Zeit (2003-2011)

Faktor 5

Quelle:


www.finanzen.net/rohstoffe/


Materialien: Aluminium (Kostenentwicklung)


US$ pro Tonnevs.Zeit (2003 2011)Zeit (2003-2011)

Faktor 2

Quelle:


www.finanzen.net/rohstoffe/


Materialien: Aluminium vs. Kupfer


– Geringere absolute Kosten, geringerer Kostenanstieg

– Praktisch keine Ressourcenbegrenzung für Aluminium

– Größeres Volumen, aber geringeres Gewicht der elektrischen Maschine

– Geringere Leitfähigkeit geringerer Wirkungsgrad(Kompensation durch andere Maßnahmen ist notwendig)(Kompensation durch andere Maßnahmen ist notwendig)

– Substitution von Kupfer durch Aluminium ist möglich



Materialien: NdFeB-Magnete (Verfügbarkeit)


Quelle:www.produktion.de/maerkte


www.ftd.de/unternehmen/industrie




Quelle:


Angerer et.al., Fraunhofer ISI




Quelle:


www.ftd.de/wissen/




Aktuell Produktion:China (97.3%)Russland (1.5%)I di ( %)Indien (0.9%)Brasilien (0.3%)

Zukünftig (zusätzlich):Zukünftig (zusätzlich):Australien

(Mount Weld: Abbau beginnt 2011)Grönland

(Südwesten: 20% der weltweiten(Südwesten: 20% der weltweitenRessourcen werden vermutet)

USA(Mountain Pass: Produktiongestoppt wegen ökologischer

Quelle:

g pp g gProbleme; Neustart in 2013 ?)


www.ftd.de/wissen/


Materialien: NdFeB-Magnete (Nd Markt)


t t

Materialien: NdFeB Magnete (mögliche Lösungen)

Quelle:Angerer et.al., Fraunhofer ISI

t t

Materialien: NdFeB-Magnete (mögliche Lösungen)

Quelle:Angerer et al Fraunhofer ISI

Alternative: Ferrit-Magnete (nächste Folie) oderAsynchronmaschine

Angerer et.al., Fraunhofer ISI


Asynchronmaschine


Materialien: Magnete (Überblick)




Materialien: NdFeB-Magnete (Nd Kostenentwicklung)


Preis im April 2001:2011

p15,50 $/kg

Faktor 2,25 in 6 Monaten

Faktor 29 in 10 JahrenFaktor 2,25

Quelle:


www.metal-pages.com


Materialien: NdFeB-Magnete (Dy Kostenentwicklung)


2011Preis im April 2001:p70,00 $/kg

Faktor 5,3 in 6 Monaten

Faktor 45 in 10 JahrenFaktor 5,3

Quelle:


www.metal-pages.com


Wicklungsdesign


Verteilte Wicklung:- sinusförmige MMF Verteilung

große Anzahl von Nuten pro Pol

Wicklung aus konzentrierten Spulen:- kompaktes Design

kürzere und weniger komplexe Wickelköpfe- große Anzahl von Nuten pro Pol- große Wickelköpfe; hohe parasitäre Endeffekte- hohe Kupferverluste

hohe Produktionskosten

- kürzere und weniger komplexe Wickelköpfe- geringe Kupferverluste- geringe Produktionskosten

große Anzahl Harmonischer in MMF Verteilung


- hohe Produktionskosten - große Anzahl Harmonischer in MMF Verteilung


Wicklungsdesign

E Maschinen und TransformatorenQuelle: FEAAM GmbH

8-Pole / 48-Nuten PM MaschineVerteilte Wicklung mit q = 2

10-Pole / 24-Nuten PM MaschineNeue Wicklung mit q = 0.8

10-Pole/ 12-Nuten PM MaschineKonzentrierte Wicklung mit q = 0.4

mon

ics

mon

ics

mon

ics

Radialkräfte Geräusche

Verluste

MM

F H

arm

MM

F H

arm

MM

F H

arm



Wicklungsdesign


3 1 Des Des _ _

: cklu

ngD

esig

n-3

Neu

e W

ickl

ung

Des

ign-

1:Ve

rtei

lte W

ick

D V

Die Vergleiche sind für gleiche Randbedingungen ausgeführt: Volumen, UDC, Tmax, nmax, etc.


Quelle: FEAAM GmbH


Wicklungsdesign (Traktionsantrieb für CADC-Fahrzyklus)




Wicklungsdesign (kumulierte Verluste in der el. Maschine)


6

7x 105 Energy losses of electric machine

standard motor16%

4

5

y [J

]-16%

2

3Ene

rgy

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

1

DA-PM1DA-PM2new motor design

Im FTP72-Zyklus sogar -20% (Verlustreduktion)

Time [s]


y g ( )Quelle: FEAAM GmbH


Ökonomische Auswirkungen


– Randbedingungen: gleiches Material, deshalb gleiche Materialkosten

i M t k t– geringere Motorkosten wegen• geringere Nutzahl, anderes Wicklungsdesign• keine Schrägung notwendigg g g• geschätzt: -10%

– geringere Leistungselektronikkosten wegeni St i• geringeres Stromniveau

• geringere Verluste• geschätzt: -10%

– geringere Batteriekosten wegen• geringere Verluste in Motor und Leistungselektronik

geschätzt: 1 5%


• geschätzt: -1.5% Quelle: FEAAM GmbH


Zusammenfassung


– Auswahl der Maschinentopologie hängt von mehreren Aspekten ab (Applikation Wirkungsgrad verwendete Materialien )(Applikation, Wirkungsgrad, verwendete Materialien, …)

– Wirkungsgrad (auf System- und Komponentenebene), Kühlungg g ( y p ), g

– Materialien

– Wicklungsdesign

– Kosten


trends und herausforderungen bei zukünftigen ebei ... zvei (gerlin… · elektrische maschine...

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