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
Electrical Drives in Cars What Lessons Can We Learn? Be Patient but Persistent with Good Ideas 2014 Tesla S
Sicherheit Fahrwerk und Bremsen
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 Kurzzeit-
Antriebe Stell-
Günstiger Wirkungsgrad
Geringer Raumbedarf
Dauer-
Hohes Spitzendrehmoment
Konstantes Maximaldrehmoment Hohes Dauerdrehmoment
Antriebe Pumpen-/Lüfter-
evtl. gute Gleichlaufeigenschaften
Konstante Maximalleistung
Merkmale von elektrischen Antrieben im Kfz Kurzzeit-
Antriebe 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 : 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
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
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
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
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 ?
künftige Entwicklung bei Kfz-Antrieben ??? bis 2000
seit 2000
ab 20xx ?