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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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 2
• 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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 3
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)
Elektrisches Antriebssystem
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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 4
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
Elektrisches Antriebssystem
Maschine AS PSM SR GS TF
Momentendichte +/- ++ + - ++Wirkungsgrad +/- ++ +/- - +Masse + ++ + - ++Stand der Technik ++ + +/- ++ --
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 5
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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 6
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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 7
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
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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
Elektrische Traktionsmaschine - ASM
ASMIM 1815
η 88,5%
ηmax. 90,1 %
WR+ASM
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ηmax. 88,5%
WR+ASM
@2800min-1, 50 Nm
WR+ASM
Elektrische Traktionsmaschine - ASM
Variante B: ASM mit Kupferkurzschlußrotor IM 1813 lfe = 130 mm 90 °C
90 °C
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Thermische FE-Berechnung
P=15 kW S1, n=2800 min-1
Rotorwicklung δmax = 195 °C
Thermische FE-Berechnung
P=15 kW S1, n=12000 min-1
Rotorwicklung δmax = 205 °C
195 °C
175 °C150 °C
205 °C
Elektrische Traktionsmaschine - PSM
Variante C: PSM mit verteilter Wicklung und Oberflächenmagneten PM 1812
Vergußmasse
lfe = 130 mm
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Rotor mit Oberflächen-Permanentmagneten
und Kohlefaserbandage
Querschnitt
Rotorblechpakete in geschrägter Anordnung
PM
Elektrische Traktionsmaschine - PSM
Variante C: PSM mit verteilter Wicklung und Oberflächenmagneten PM 1812
0,45000
0,50000
0,55000
0,60000
0,65000
Ld=f(Id) bei Iq=konst.
0,60000-
0,650000,55000-
0,60000
Ld
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 12
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
Elektrische Traktionsmaschine - PSM
Variante C: PSM mit verteilter Wicklung und Oberflächenmagneten PM 1812
155 °C 90 °C 115 °C
160 °C
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Thermische FE-Berechnung P = 15 kW S1, n = 2800 min-1
Permanentmagnete δmax = 120 °C
120 °C 115 °C 95 °C
90 °C
Elektrische Traktionsmaschine - PSM
Variante D: PSM mit verteilter Wicklung und vergrabenen Magneten PM 1812
lfe = 120 mm Rotorschrägung
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Rotor aus Rotorsegmenten mit vergrabenen Magneten Querschnitt
Rotorsegmente
Magnete
Elektrische Traktionsmaschine PSM
Variante D: PSM mit verteilter Wicklung und vergrabenen Magneten PM 1812
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
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Elektromagnetische FE-Berechnung
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
Elektrische Traktionsmaschine - PSM
Variante D: PSM mit verteilter Wicklung und vergrabenen Magneten PM 1812
380 N/mm²
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 16
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
Elektrische Traktionsmaschine - PSM
Variante E: PSM mit Einzelzahnwicklung und vergrabenen Magneten PM 1812
lfe = 120 mm
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Variante E1: Querschnitt ohne Polschuh Variante E2: Querschnitt mit Polschuh
Vergrabene Magnete in V-Anordnung (Flußkonzentration)
Elektrische Traktionsmaschine - PSM
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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 18
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
Elektromagnetische FE-Berechnung
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
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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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 20
Thermische FE-Berechnung
P = 15 kW S1, n = 2800 min-1
Rotorblechpaket δmax = 140 °C
Thermische FE-Berechnung
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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 21
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
Vergleich von unterschiedlichen Antriebsmaschinen
60
80
100
120
Mas
se in
%
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 22
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 %
Vergleich von unterschiedlichen Antriebsmaschinen
60
80
100
120
Ko
sten
in %
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 23
0
20
40
Variante A Variante B Variante C Variante D Variante E Variante F
Motorvarianten
Ko
sten
in %
Stator Aktivteile Rotor Aktivteile PassivteileMaterialgemeinkosten MGK Fertigungkosten und FGK Sonstiges
Motorkosten in %
Vergleich von unterschiedlichen Antriebsmaschinen
60
70
80
90
100
110
Ko
sten
in %
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0
10
20
30
40
50
Variante A Variante B Variante C Variante D Variante E Variante F
Motorvarianten
Ko
sten
in %
Batterie Getriebe Anschlußleitungen WR Motor
Gesamtkosten in %
Vergleich von unterschiedlichen Antriebsmaschinen
Kriterien Variante A Variante B Variante C Variante D Variante E Variante F
Bewertung nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 25
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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 26
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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 27
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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 28
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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 29
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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 30
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
Elektrisches Antriebssystem
• 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
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 31
- 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!
Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer Seite 32
Lieber Hans – lieber Prof. Kleinrath!Danke für Deine Unterstützung
– Danke für Deine Wissensvermittlung!