Das Ziel bei der Auslegung einer elektrischen Maschine für einen Traktionsantrieb ist die Entwicklung einer Maschine, welche die gestellte Leistungsanforderung unter Beachtung der Anforderungen der drei Aspekte: hoher Wirkungsgrad - geringer Bauraum -geringe Kosten erreicht. Die grundlegenden Zusammenhänge dieser drei Aspekte werden am Beispiel einer permanentmagneterregten Synchronmaschine erläutert. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, müssen die auftretenden Verluste reduziert werden. Betrachtet werden Ohm'sche Verluste in der Statorwicklung, Eisenverluste in Stator- und Rotorblech sowie Wirbelstromverluste in den Permanentmagneten des Rotors. Die Verluste in der Statorwicklung steigen mit dem Wicklungswiderstand sowie dem Quadrat des Leiterstroms. Somit bilden Strom und Widerstand Ansatzpunkte die Kupferverluste zu reduzieren. Die Eisenverluste setzen sich aus Hystereseverlusten, Wirbelstromverlusten und Zusatzverlusten zusammen. Beeinflusst werden sie durch die auftretenden Frequenzen, Materialeigenschaften des ausgewählten Elektroblechs sowie der geometrische Gestaltung des Eisenkreises. Die Wirbelstromverluste in den Permanentmagneten werden hervorgerufen durch Flussdichteschwankungen innerhalb der Magnete. Ursachen sind die Rückwirkung des Statorfeldes sowie durch die Statorzähne hervorgerufene periodische Reluktanzschwankungen während der Drehung. Die Verluste steigen mit dem Laststrom der Maschine und quadratisch mit der Änderungsfrequenz der magnetischen Flussdichte. Die Betrachtung der grundlegenden Zusammenhänge und Abhängigkeiten der drei Aspekte hat gezeigt, dass die separate Berücksichtigung dieser Aspekte während der Auslegung ein hohes Konfliktpotential mit sich bringt und somit nicht zielführend ist. Im Rahmen des öffentlich geförderten Forschungsprojektes "e-generation" wurde eine Methodik zur Lösung des Auslegungskonfliktes entwickelt und eine permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) eines elektrischen Sportwagenantriebs ausgelegt. Um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen, den Bauraum sowie die Kosten zu reduzieren, wurde die maximale Maschinendrehzahl auf 18000 min-1 festgelegt. Der Ablauf der Auslegung erfolgte in folgenden Schritten: Anforderungen/Randbedingungen, Materialauswahl, Grobauslegung, detaillierte elektromagnetische Auslegung/FEM, Geometrieanpassung, Berechnung mechanischer Leistung, Kennfeldberechnung, Kennfelder aller relevanten Größen.
The basic demands of an electric drive-train are a high efficiency, a Small Installation space and low costs. When designing the drive-train they cannot be regarded without affecting each other. The fundamental relationships between these demands are shown. A design methodology for permanent excited synchronous machines is presented to solve this conflict.
Permanentmagneterregter Traktionsantrieb für ein Elektrofahrzeug: Bauraum, Wirkungsgrad und Kosten - das Auslegungsdreieck
2013
15 Seiten, Bilder, 10 Quellen
Aufsatz (Konferenz)
Deutsch
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