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Grundwissen / Lernfeld 3Grundwissen / Lernfeld 3
Elektrotechnik:
Der Elektromotor
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Elektrische Maschinen im KfzDefinition
eigentlich „Elektromagnetische Maschinen“• Eine Elektrische Maschine ist ein Gerät, das
teilweise mittels Wandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie arbeitet.
In der wissenschaftlichen Lehre werden unterschieden:• Rotierende elektrische Maschinen, speziell
Elektromotoren und Generatoren.• Maschinen mit translatorischer (gradliniger)
Bewegung als Sonderfall der rotierenden Maschine• Ruhende Elektrische Maschinen, speziell
Transformatoren wurden oft traditionell dazugezählt.
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Elektrische Maschinen im KfzDefinition
Elektrische Maschinen
Ruhende Nicht-ruhende
(Transformator)
Rotation Translation(Linearmotor)
Motor Generator
... im Auto?Klar, die Zündspule!
Die kennen wir alle aus dem
Auto!
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Elektrische Maschinen im KfzDefinition
Gleichstrommaschinen
Drehfeldmaschinen
Wechselstrommaschinen
Drehstrommaschinen
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Elektrische Maschinen im KfzDefinition
Betriebsarten rotierender elektrischer Maschinen:
Motorisch
Generatorisch
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Elektrische Maschinen im KfzPhysik
Generator:
Wandler von mechanischer in elektrische Energie
Nimm ein Magnetfeld und bewege darin einen elektrischen Leiter
Folge: in dem bewegten Leiter wird
wegen der „Lorentzkraft“ eine Spannung induziert
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Elektrische Maschinen im KfzPhysik
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8
Elektrische Maschinen im KfzPhysik
Motor:
Wandler von elektrischer in mechanische Energie
Nimm zwei Magnete (Permanent- oder Elektro!) und bringe gleiche Pole zusammen
Folge: die Pole drücken sich gegeneinander weg, sie bewegen sich
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Elektrische Maschinen im KfzPhysik
BlIBlIF )(
• Ursache ist das Induktionsgesetz von Faraday:
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Elektrische Maschinen im KfzPhysik
Nur am Rande: Übertrager der magneti-schen Kraft sind die Photonen!
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Elektrische Maschinen im KfzPhysik
Man nehme also:
• bewegliche Elektronen z. B. in einem elektrischen Leiter
• eine Änderung z. B. die Bewegung
• ein Magnetfeld
Experiment: Lenz‘sche Regel
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Elektrische Maschinen im KfzELM Generator
Experiment: Wechselspannungserzeugung
• Stator zweipolig permanenterregt
• Rotor Doppel-T
• Erkenntnis: konstantes magnetisches Feld, bewegter Leiter Induktionsspannung
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Elektrische Maschinen im KfzELM Generator
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Elektrische Maschinen im KfzELM Generator
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Elektrische Maschinen im KfzELM Generator
Experiment: Spannungserzeugung
• Stator zweipolig mit Spulen
• Rotor zweipolig permanenterregt
• Erkenntnis: variables magnetisches Feld, feststehender Leiter Induktionsspannung
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Elektrische Maschinen im KfzAC Servo
Experiment: Drehspannungserzeugung
• Stator dreipolig mit Spulen
• Rotor zweipolig permanenterregt
• Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen Spannung
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Elektrische Maschinen im KfzELM Synchrongenerator
Experiment: Spannungserzeugung
• Stator dreipolig mit Spulen
• Rotor zweipolig mit Spulen
• Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen Spannung
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Elektrische Maschinen im KfzGleichstrommotor
Gleichstrommotor
• Häufig eingesetzt, z. B. als Fensterheber
• sehr gut und einfach regelbar
• Drehzahl hängt von der Spannung ab
• nicht verschleißfrei
• Generatorbetrieb im Kfz möglich
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Elektrische Maschinen im KfzGleichstrommotor
Gleichstrommotor
Wir bauen einen ...
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Elektrische Maschinen im KfzDrehstrom
Drehstrom
Strom der sich dreht?
Natürlich nicht!Gemeint ist
das „DrehFELD“
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Elektrische Maschinen im KfzDrehstrom
Drehfeld
drei sinusförmige Wechselfelder jeweils um 120° verschoben
Anschluss in Stern- oder Dreieckschaltung
Also immer 3 Anschlüsse!
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Elektrische Maschinen im KfzELM Drehfeld
Experiment: Drehfeldnachweis
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Elektrische Maschinen im KfzAsynchronmotor
Asynchronmotor Aufbau
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Elektrische Maschinen im KfzDrehstrommotor
Drehstrommotor
• Selten eingesetzt im Kfz, z. B. Elektromechanische Lenkung
• sehr gut regelbar, aber aufwändig
• Leerlaufdrehzahl abhängig von Frequenz
• verschleißfrei
• Generatorbetrieb im Kfz nicht möglich
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Elektrische Maschinen im KfzAsynchronmotor
Experiment: Kennlinienaufnahme
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Elektrische Maschinen im KfzSynchronmotor
Aufbau
Schenkelpolläufer Vollpolläufer
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Elektrische Maschinen im KfzSynchronmotor
Synchronmotor
• Nicht eingesetzt im Kfz
• sehr gut regelbar, aber aufwändig
• Drehzahl hängt von der Frequenz ab
• nicht verschleißfrei
• Generatorbetrieb im Kfz sehr gut möglich
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Elektrische Maschinen im KfzSynchronmotor
Experiment: Kennlinienaufnahme
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Elektrische Maschinen im KfzAC-Servomotor
AC-Servomotor 1/2• „Servo“ = „Hilfs-“...• Permanenterregte Synchronmaschine• Bisher nicht eingesetzt im Kfz• sehr gut regelbar, aber aufwändig• Drehzahl hängt von der Spannung ab• verschleißfrei• Generatorbetrieb im Kfz möglich
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Elektrische Maschinen im KfzAC-Servomotor
AC-Servomotor 2/2
• Rotorlageerkennung mit Sensorik nötig
• Aufbau mit 3 preiswerten Hallsensoren
• kein Drehmoment im Stillstand
• Positions- und Drehrichtungserkennung
• Rückwärtslauf bei Auspendelungen im Start/Stop-Betrieb
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Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor
Aufbau
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Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor
Experiment: Kennlinienaufnahme
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Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor
Einsatz im Parallelhybrid
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Elektrische Maschinen im KfzParallelhybrid
Aufbau
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Elektrische Maschinen im KfzParallelhybrid
Leistungselektronik
AC700 V
AC
DC200 V
DC12 V
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Elektrische Maschinen im KfzParallelhybrid
Funktion
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Elektrische Maschinen im KfzParallelhybrid
Funktion
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Elektrische Maschinen im KfzParallelhybrid
Funktion
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Elektrische Maschinen im KfzParallelhybrid
Funktion
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Elektrische Maschinen im KfzParallelhybrid
Funktion
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Elektrische Maschinen im KfzParallelhybrid
Funktion
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Elektrische Maschinen im KfzParallelhybrid
BetriebszuständeKaltstart des VM durch die E-Maschine über
Kupplung K1 (ermöglicht Entfall des
Motor-Starters)
Fahrzeug steht, VM läuft und lädt über die geschlossene Kupplung K1 mit der generatorisch betriebenen E-Maschine
den elektrischen Energiespeicher (elektro-chemische Batterie oder
Doppelschichtkondensatoren) auf.
Wenn es der Ladezustand des Energiespeichers zulässt, kann in
Stillstandsphasen im Stop-and-Go-Verkehr oder beim Ampelstopp der VM abgestellt werden (Motor-Start-
Stopp). Die Bordnetzversorgung wird während dieser Phasen vom Energiespeicher übernommen.
Elektrisches Anfahren oder Rangieren (VM
steht, Kupplung K1 ist geöffnet).
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Elektrische Maschinen im KfzParallelhybrid
Betriebszustände
Wenn der VM ansynchronisiert ist, wird der Schlupf an der Kupplung K1
abgebaut und der VM übernimmt die Antriebsleistung. Die E-Maschine kann in diesem Betriebszustand zeitweise ihr
Drehmoment dem verbrennungs- motorischen Drehmoment überlagern,
so z. B. beim Boosten oder bei der Nachbildung des Drehmoments der entfallenen Wandlerüberhöhung.
In Schubsituationen, z. B. beim Bergabfahren, kann das
Schubmoment durch generatorischen Betrieb der E-
Maschine abgebildet werden. Die Schubenergie wird so in elektrische
Energie gewandelt und im Energiespeicher
zwischengespeichert. Mit noch höherer Leistung kann elektrische Energie beim Bremsen rekuperiert
werden.
Die Effizienz der Umwandlung von kinetischer in elektrische Energie in Schubsituationen oder beim
Bremsen kann noch dadurch erhöht werden, dass in diesen Betriebszuständen der VM mit seinem
Schleppmoment im Schubbetrieb durch Öffnen der Kupplung K1 abgekoppelt und abgestellt wird, also
nicht mitgeschleppt werden muss.
Zustart des VM bei höheren Fahrgeschwindigkeiten oder
bei einer erhöhten Leistungsanforderung durch
den Fahrer über die schlupfende Kupplung K1.
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Elektrische Maschinen im Kfz Simulation eines Parallelhybrids
FU-Motor alsVerbrennungsmaschine
AC-Servo mit Rotor-lagegeber als
Elektromaschine
Pendelmaschine alsmechanische Last
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Elektrische Maschinen im Kfz Simulation eines Parallelhybrids
Experiment:
Simulation des Boost-Vorgangs 1/3
Ein FU-Motor übernimmt die Funktion des Verbrennungsmotors, ein AC-Servo die des E-Motors und eine Pendelmaschine die der mechanischen Last durch das Fahrzeug (hauptsächlich Rollreibung und Luftwiderstand)
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Elektrische Maschinen im Kfz Simulation eines Parallelhybrids
Experiment:
Simulation des Boost-Vorgangs 2/3
Der FU-Motor treibt das System mit ~800 U/min an, die Pendelmaschine belastet es mit ~0,7 Nm. Die Wirkleistung, die der FU-Motor aus dem Netz bezieht ist zu messen und sollte ca. 100 W betragen.
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Elektrische Maschinen im KfzSimulation eines Parallelhybrids
Experiment:
Simulation des Boost-Vorgangs 3/3
Nun wird der AC-Servo im Modus „Stromregelung“ aktiviert und der Strom langsam erhöht.
Es ergibt sich eine Drehzahlerhöhung sowie eine Leistungsabnahme für den FU-Motor.