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Leseprobe AUTOCAD & Inventor Magazin 2012/04

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36 MECHANIK Effizienz-

36 MECHANIK Effizienz- und Kostenoptimierung elektrischer Antriebe Frisch gewickelt Den elektrischen Traktionsantrieben für die Elektromobilität gehört die Zukunft, wenn es gelingt, ihren Wirkungsgrad und damit die (derzeit noch begrenzte) Reichweite eines Batteriefahrzeugs zu erhöhen. Außerdem ist neben dieser Verlustoptimierung die Reduktion der Kosten erforderlich, um den Kunden für alternative Antriebe in Kraftfahrzeugen zu gewinnen. Dieser Beitrag zeigt, wie solche Ziele durch eine alternative Wicklung erreicht werden können. Von Prof. Dr.-ing. Dieter Gerling, Dipl.-ing. Klaus Mühlbauer, Dr.-ing. Gurakuq Dajaku Die Bedeutung elektrischer Antriebe im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen wächst ständig. Der Start-Stopp-Betrieb des Verbrennungsmotors wird zum Standard und nahezu jeder Automobilhersteller hat inzwischen Hybrid-Fahrzeuge im Angebot. Zudem wird intensiv an reinen Elektrofahrzeugen gearbeitet. Entscheidend für die Auslegung solcher Fahrzeuge ist aber, dass in typischen Fahrzyklen der Antrieb fast ausschließlich im Teillast-Betrieb genutzt wird. Dies verdeutlicht Bild 1: In der Drehmoment-Drehzahl- Ebene sind typische Betriebspunkte eingezeichnet, wobei die Betriebspunkte mit einer Leistung von 125 kW und 100 kW praktisch nicht im Zyklus angefahren werden. Es wird also deutlich, dass der elektrische Antrieb hauptsächlich in Teillast bei unter 20 Prozent der Nennleistung betrieben wird. Vergleich von wicklungen mit verteilten und konzentrierten Spulen Im Laufe der Entwicklung haben sich für Drehstrommaschinen Statorwicklungen mit verteilt angeordneten Spulen als tech- Bild 1: Typische Betriebspunkte von Elektrofahrzeugen in der Drehmoment-Drehzahl-Ebene. AUTOCAD & Inventor Magazin 4/12 nisch sehr günstig herausgestellt (Bild 2a). Der wesentliche Grund dafür liegt in der Art der Wicklungsgestaltung, die dazu führt, dass im Luftspalt der Maschine ein weitgehend sinusförmiges Magnetfeld erzeugt wird. An Bild 2a wird aber auch schon der Nachteil dieser Wicklungsart deutlich: Die ausladenden Wickelköpfe führen dazu, dass ■ die Maschine in axialer Richtung recht lang wird, Bild 4: Kumulierte Energieverluste im Elektromotor während eines typischen Fahrzyklus für zwei alternative Motordesigns. a) b) Bild 2: Wicklungsarten für Drehstrommaschinen: a) mit verteilten Spulen, b) mit konzentrierten Spulen. ■ hohes Kupfergewicht und hohe Kupferkosten anfallen und ■ erhöhte Ohmsche Verluste im Wickelkopf auftreten. Diese Nachteile können beseitigt werden, indem eine Wicklung mit konzentrierten Spulen verwendet wird (Bild 2b). Allerdings entsteht so der gravierende Nachteil, dass das Luftspaltfeld eine große Anzahl Harmonischen mit hoher Amplitude enthält. Diese führen zu erhöhten Rotorverlusten (im Eisen und in den Permanentmagneten) [1] und regen Kraftwellen an, die zu unerwünschten Geräuschen führen [2]. Deshalb haben sich solche Wicklungen bisher im Automobilbereich für Traktionsanwendungen nicht durchgesetzt. Optimierung von wicklungen mit konzentrierten Spulen Was den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine angeht, ist es nun vor allem erforderlich, die Harmonischen des Luftspaltfelds zu

eliminieren, die für die Verluste im Rotor verantwortlich sind. Dies gelingt mit Hilfe einer neuen Art von konzentrierten Spulen, bei denen die letzte Windung nur halb um den Zahn gelegt wird [3]. Bei geschickter Anordnung können diese Rotorverluste weitgehend vermieden werden. Einen beispielhaften Vergleich zeigt Bild 3: Dargestellt sind die Wirbelstromverluste eines Rotorausschnitts einer solchen Maschine; die Berechnung der Wirbelstromverluste erfolgte wie in [3] beschrieben und wurde mit ANSYS Mechanical durchgeführt. Bild 3 zeigt im selben Maßstab die Wirbelstromverluste bei einer konventionellen (3a) beziehungsweise neuartigen (3b) Wicklung mit konzentrierten Spulen. Sehr deutlich sind die Verbesserungen zu erkennen. Was die Vermeidung von Geräuschen bei Wicklungen mit konzentrierten Spulen betrifft, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, siehe zum Beispiel [4]. Auswirkungen auf den elektrischen Antriebstrang eines E-Fahrzeugs Vergleicht man ein solches neues Motordesign (Wicklung mit konzentrierten Spulen und reduzierten Rotorverlusten) mit einem Standard-Traktionsmotor (Wicklung mit verteilten Spulen), so erkennt man insbesondere im Teillast-Bereich eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads [5]. Diese macht sich dann auch in einer deutlichen Verlustreduktion während eines typischen Fahrzyklus bemerkbar. In Bild 4 ist eine solche Fahrzyklussimulation für ein typisches E-Fahrzeug im Blick auf die kumulierten Verluste im Elektromotor ausgewertet. Es zeigt sich eine deutliche Energieeinsparung gegenüber heutigen Lösungen. Da diese eingesparte Energie nun auch nicht über den Wechselrichter übertragen werden muss, ergeben sich in der Leistungselektronik zusätzliche Verlusteinsparungen. Das verbesserte Wicklungsdesign ist praktisch a) b) Bild 3: Wirbelstromverluste in Oberflächenmagneten: a) konventionelle Wicklung, b) optimierte Wicklung. ohne Zusatzkosten in der Produktion realisierbar bei gleichzeitiger Materialeinsparung gegenüber Wicklungen mit verteilten Spulen. Zusätzlich entstehen geringere Verluste, was die Kühlung vereinfacht. Der Wechselrichter muss weniger Leistung übertragen, was zu einem geringeren Stromniveau und zu vereinfachter Kühlung führt. Die nicht in Verluste umgesetzte elektrische Energie führt – bei gleicher Reichweite – zu einer entsprechend kleineren Batterie. Alle Komponenten des elektrischen Antriebstrangs werden also kostengünstiger. Eine vorsichtige Abschätzung ergibt eine Kostenreduktion des elektrischen Antriebstrangs um etwa 6 Prozent bei gleichzeitig verbesserten technischen Eigenschaften. Mit dieser extrem kostengünstigen Möglichkeit zur Verlustreduktion ist die Realisierung verbesserter technischer Eigenschaften bei gleichzeitiger Kostenreduktion gegenüber heutigen Standard- Motoren möglich. Zu beachten ist, dass entsprechende Teillast-Betriebspunkte auch in anderen Branchen eine ähnlich hohe Bedeutung wie im Automobilbereich haben, etwa bei Pumpen- und Lüfterantrieben oder in Haushaltsanwendungen. Diese Vorgehensweise ist eine sehr kostengünstige Möglichkeit zur Verlust- und Kostenreduktion. (anm) Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling, Dipl.-Ing. Klaus Mühlbauer, Universität der Bundeswehr München/Neubiberg, Institut für Elektrische Antriebstechnik, Dieter.Gerling@unibw.de, www.unibw.de/EAA, Dr.- Ing. Gurakuq Dajaku, FEAAM GmbH, Neubiberg Literaturangaben: [1] Magnussen, F.; Sadarangani, C.: Winding factors and Joule losses of permanent magnet machines with concentrated windings, International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC-2003), 01.-04.Juni 2003, Madison (WI), USA. [2] Dajaku, G.; Gerling, D.: Magnetic Radial Force Density of the PM machine with 12-teeth/10-poles Winding Topology, International Electric Machines and Drives Confe- MECHANIK CADFEM Informationstag: Antriebs- und Automatisierungstechnik Engineering mit ANSYS Workbench Während des Infotags „Antriebs- und Automatisierungstechnik“ lernen die Teilnehmer die Grundlagen der simulationsbasierten Auslegung von elektrischen Antrieben kennen, wobei Anlaufverhalten, Induktivitäten und Rastmomente berücksichtigt werden. Bei den Verlustbetrachtungen elektrischer Maschinen spielen sowohl Wirbelstromverluste als auch Eisen- und Kupferverluste eine Rolle. Daneben werden akustische Simulationen von elektrischen Maschinen präsentiert. Um elektromechanische Systeme zu simulieren, ist oftmals eine Abstraktion bei der Systembeschreibung erforderlich, die näher erläutert wird. Außerdem werden während des Infotags die Modellierung von Sensorsystemen, zum Beispiel eines Inkrementalgebers, sowie die Drehzahlregelung eines Antriebs simulationstechnisch behandelt. Beim Blick auf die Automatisierungstechnik rücken die Sensorik und Regelung in den Mittelpunkt des Interesses, aber auch leitungsgebundene Störungen wie Netzrückwirkungen und parasitäre Effekte stehen auf der Agenda. Weitere Informationen und Anmeldungen unter www.cadfem.de/infotage Termine u 24.04.2012 in Stuttgart u 06.06.2012 in Dortmund u 27.06.2012 in Wien u 22.08.2012 in Berlin rence (IEMDC-2009), 03.-06. Mai 2009, Miami (FL), USA. [3] Dajaku, G.; Gerling, D.: Eddy Current Loss Minimization in Rotor Magnets of PM Machines using High-Efficiency 12-teeth/10-slots Winding Topology, International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS-2011), 20.-23. August 2011, Beijing, China (paper accepted). [4] Dajaku, G.; Gerling, D.: A Novel 24-Slots/10-Poles Winding Topology for Electric Machines, International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC-2011), 15.-18. Mai 2011, Niagara Falls (Ontario), Canada. [5] Gerling, D.; Dajaku, G.; Mühlbauer, K.: Electric Machine Design Tailored for Powertrain Optimization, 25th World Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium & Exhibition (EVS25-2010), 05.-09. November 2010, Shenzhen, China. Bild: manfredxy/istockphoto.com 4/12 AUTOCAD & Inventor Magazin 37

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