Lehrveranstaltung „Elektrische Antriebstechnik – Grundlagen und Anwendungen“

Elektrische Antriebe im Kfz

Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel ([email protected]) Technische Universität München Arcisstraße 21 80333 München

Electrical Drives in Cars What Lessons Can We Learn? Be Patient but Persistent with Good Ideas 2004 Toyota Prius

Hofwagen-Fabrik J.Lohner & Co. Electrically-Powered Wheels in Early 1900’s

Source : Prof. Tom Jahns, PEMD 04, University of Wisconsin, Madison, WI, USA

Requirements for Electrical Drives in Cars • general requirements – – – –

high efficiency (especially in steady operation)  low fuel consumption low weight / low size smooth motion low cost

• highest stress (temperature, dust, corrosion, humidity, mechanical oscillations)

• high reliability and overload capability (safety related functions, e. g. ABS, wiper system)

• different operation modes (steady state operation – e. g. pumps, fans; short operation – e. g. positioning)

Merkmale von elektrischen Antrieben im Kfz KurzzeitAntriebe Stell-

Günstiger Wirkungsgrad

Geringer Raumbedarf

Dauer-

Hohes Spitzendrehmoment

Konstantes Maximaldrehmoment Hohes Dauerdrehmoment

Antriebe Pumpen-/Lüfter-

evtl. gute Gleichlaufeigenschaften

Konstante Maximalleistung

Automotive Application : Electric Power Steering  Modular Packaging  Fuel Economy  Tunable Steering

 Standard Equipment in Some New Models

 Variety of Configurations

Delphi Automotive E-Steer System Source : Prof. Tom Jahns, PEMD 04, University of Wisconsin, Madison, WI, USA

Automotive Application : Electromechanical Valve Actuators  Capable of providing significant engine performance benefits in areas of fuel economy, emissions and engine power density

FEV

 Challenges include peak actuator power and noise

FEV, Germany

Source : Prof. Tom Jahns, PEMD 04, University of Wisconsin, Madison, WI, USA

Elektrochemische Motoren

Elektromagnetische Motoren

bürstenbehaftete Motoren

Unipolarmotoren

Gleichstrommotoren

Feldwicklung (Reihen-) Hauptschluss

Motoren mit mechanischer Kraftübertragung

bürstenlose Motoren

Drehfeldmotoren

asynchron

synchron

piezoelektrische Motoren

Wanderwellenmotoren

Ultraschallmotoren

Feldmagnete Nebenschluss

Doppelschluss

Käfigläufer

feldorientiert

Schleifringläufer

mit Feldwicklung

Permanentmagnet

SynchronReluktanz

frequenzgesteuert

Reluktanz

Geschaltete Reluktanz

trapezförmige sinusförmige EMK EMK „vergrabene Magnete“

Transversalfluss

Oberflächenmagnete

Schrittmotoren

Vergleich von verschiedenen elektrischen Maschinen DC

ASM

- einfach zu regeln - Innenbelüftung einfach zu realisieren

-

hohe Schutzart geringer Raumbedarf Wartungsfreiheit niedriges Eigenträgheitsmoment - hohes StillstandsDrehmoment - hohe Dynamik - Verlustleistung im Stator

-

- niedrige Schutzart - mechanischer Verschleiß (Bürsten, Kollektor) - Strombegrenzung - Stillstand (Kollektor-Lamellen) - hohe Drehzahl (Kommutierung) - max. Klemmenspannung von 200 V (Trafo notwendig) - Verlustleistung im Rotor (Wärmeabfuhr über Welle)

- hohe Kosten - eingeschränkter Drehzahlbereich - eingeschränkte Überlastbarkeit (Entmagnetisierungsgefahr)

- OberschwingungsVerluste vorwiegend im Rotor (Wärmeabfuhr über Welle) - hohes Trägheitsmoment - Feldstrom erforderlich (Verluste, Bauvolumen, größerer Umrichter) - komplexe Regelung - parameterabhängige Regelung

Vorteile

Nachteile

SM

hohe Schutzart Wartungsfreiheit hohe Überlastbarkeit niedrige Kosten hohes StillstandsDrehmoment - großer Drehzahlstellbereich

historische Entwicklung bei industriellen Antrieben

wer das Ergebnis voraussah und diesen Weg wählte, war pleite, bevor es soweit kam

künftige Entwicklung bei Kfz-Antrieben ??? bis 2000

seit 2000

ab 20xx ?