Grundwissen / Lernfeld 3

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1 Grundwissen / Lernfeld 3
Elektrotechnik: Der Elektromotor

2 Elektrische Maschinen im Kfz Definition
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.

3 Elektrische Maschinen im Kfz Definition
Die kennen wir alle aus dem Auto! Elektrische Maschinen Ruhende Nicht-ruhende (Transformator) Rotation Translation (Linearmotor) Motor Generator ... im Auto? Klar, die Zündspule!

4 Elektrische Maschinen im Kfz Definition
Gleichstrommaschinen Drehfeldmaschinen Wechselstrommaschinen Drehstrommaschinen

5 Elektrische Maschinen im Kfz Definition
Betriebsarten rotierender elektrischer Maschinen: Motorisch Generatorisch

6 Elektrische Maschinen im Kfz Physik
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

7 Elektrische Maschinen im Kfz Physik

8 Elektrische Maschinen im Kfz Physik
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

9 Elektrische Maschinen im Kfz Physik
Ursache ist das Induktionsgesetz von Faraday:

10 Elektrische Maschinen im Kfz Physik
Nur am Rande: Übertrager der magneti-schen Kraft sind die Photonen!

11 Elektrische Maschinen im Kfz Physik
Man nehme also: bewegliche Elektronen z. B. in einem elektrischen Leiter eine Änderung z. B. die Bewegung ein Magnetfeld Experiment: Lenz‘sche Regel

12 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator
Experiment: Wechselspannungserzeugung Stator zweipolig permanenterregt Rotor Doppel-T Erkenntnis: konstantes magnetisches Feld, bewegter Leiter  Induktionsspannung

13 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator

14 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator

15 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator
Experiment: Spannungserzeugung Stator zweipolig mit Spulen Rotor zweipolig permanenterregt Erkenntnis: variables magnetisches Feld, feststehender Leiter  Induktionsspannung

16 Elektrische Maschinen im Kfz AC Servo
Experiment: Drehspannungserzeugung Stator dreipolig mit Spulen Rotor zweipolig permanenterregt Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen Spannung

17 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Synchrongenerator
Experiment: Spannungserzeugung Stator dreipolig mit Spulen Rotor zweipolig mit Spulen Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen Spannung

18 Elektrische Maschinen im Kfz Gleichstrommotor
Häufig eingesetzt, z. B. als Fensterheber sehr gut und einfach regelbar Drehzahl hängt von der Spannung ab nicht verschleißfrei Generatorbetrieb im Kfz möglich

19 Elektrische Maschinen im Kfz Gleichstrommotor
Wir bauen einen ...

20 Elektrische Maschinen im Kfz Drehstrom
Strom der sich dreht? Natürlich nicht! Gemeint ist das „DrehFELD“

21 Elektrische Maschinen im Kfz Drehstrom
Drehfeld drei sinusförmige Wechselfelder jeweils um 120° verschoben Anschluss in Stern- oder Dreieckschaltung Also immer 3 Anschlüsse!

22 Elektrische Maschinen im Kfz ELM Drehfeld
Experiment: Drehfeldnachweis

23 Elektrische Maschinen im Kfz Asynchronmotor
Asynchronmotor Aufbau

24 Elektrische Maschinen im Kfz Drehstrommotor
Selten eingesetzt im Kfz, z. B. Elektromechanische Lenkung sehr gut regelbar, aber aufwändig Leerlaufdrehzahl abhängig von Frequenz verschleißfrei Generatorbetrieb im Kfz nicht möglich

25 Elektrische Maschinen im Kfz Asynchronmotor
Experiment: Kennlinienaufnahme

26 Elektrische Maschinen im Kfz Synchronmotor
Aufbau Schenkelpolläufer Vollpolläufer

27 Elektrische Maschinen im Kfz Synchronmotor
Nicht eingesetzt im Kfz sehr gut regelbar, aber aufwändig Drehzahl hängt von der Frequenz ab nicht verschleißfrei Generatorbetrieb im Kfz sehr gut möglich

28 Elektrische Maschinen im Kfz Synchronmotor
Experiment: Kennlinienaufnahme

29 Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor
„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

30 Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor
Rotorlageerkennung mit Sensorik nötig Aufbau mit 3 preiswerten Hallsensoren kein Drehmoment im Stillstand Positions- und Drehrichtungserkennung Rückwärtslauf bei Auspendelungen im Start/Stop-Betrieb

31 Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor
Aufbau

32 Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor
Experiment: Kennlinienaufnahme

33 Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor
Einsatz im Parallelhybrid

34 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid
Aufbau

35 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid
Leistungselektronik AC 700 V AC DC 12 V DC 200 V

36 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid
Funktion

37 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid
Funktion

38 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid
Funktion

39 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid
Funktion

40 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid
Funktion

41 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid
Funktion

42 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid
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. Kaltstart des VM durch die E-Maschine über Kupplung K1 (ermöglicht Entfall des Motor-Starters) Elektrisches Anfahren oder Rangieren (VM steht, Kupplung K1 ist geöffnet). 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. Betriebszustände

43 Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid
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.

44 Elektrische Maschinen im Kfz Simulation eines Parallelhybrids
AC-Servo mit Rotor- lagegeber als Elektromaschine Pendelmaschine als mechanische Last FU-Motor als Verbrennungsmaschine

45 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)

46 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.

47 Elektrische Maschinen im Kfz Simulation 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.