Bauarten von elektrischen Antrieben und deren Kühlung...

Bauarten von elektrischen Antrieben und

deren Kühlung Verluste Vor und Nachteilederen Kühlung, Verluste, Vor- und NachteileUniv.-Prof. Dr. phil. Dr. techn. habil. Harald Neudorfer

Traktionssysteme Austria GmbH

4. Kolloquium Elektrische Antriebe in der Landtechnik

Wieselburg, 26. Juni 2013

June 2013June 2013 1International Railway Industry Standard (IRIS)ISO 9001:2000Prof. Dr. Dr. habil. Harald Neudorfer

AgendaAgenda

Grundlagen von elektrischen MaschinenAsynchronmaschine- Asynchronmaschine

- Permanenterregte Synchronmaschine- Verluste bei elektrischen Maschinen

Kühlarten von elektrischen Maschinen

ZusammenfassungZusammenfassung

June 2013June 2013 2International Railway Industry Standard (IRIS)ISO 9001:2000

Gr ndlagen on elektrischen MaschinenGrundlagen von elektrischen Maschinen

Grundstruktur des elektrischen Antriebsstranges

Energiequelle Wechselrichter Traktionsmaschine

Grundstruktur des elektrischen Antriebsstranges

UUverk

Ubat

Brennstoffzelle IGBT-WR Asynchronmaschine ASMBatterie Transistor-WR PM-Synchronmaschine PSMy

Superkondensator Switched Reluctance Masch. SRMGleichstrommaschine GSMTransversalflussmaschine TFM

June 2013 3International Railway Industry Standard (IRIS)ISO 9001:2000


Elektrische Maschinen

Kommutator-maschinen Asynchronmaschinen Synchronmaschinen

Schleifring-lä f

Einphasen-Wechselstrom-Gleichstrom-

maschineKurzschluß-

lä fPermanent-

tElektrisch-

tMischstrom-

hi läufer

Reihen

maschinemaschine läufer erregt erregtmaschine

Neben Compound Reluktanzmaschine

Einteilung der Elektrischen Maschinen

Reihen-schluß

Neben-schluß

Compound-schluß

Reluktanzmaschine

Transversalflußmaschine


Einteilung der Elektrischen Maschinen


Maschine AS PSM SR GS TF

Momentendichte +/- ++ + - ++Wirkungsgrad +/- ++ +/- - +Masse + ++ + - ++Stand der Technik ++ + +/ ++Stand der Technik ++ + +/- ++ --Wechselrichter + +/- - ++ --Kosten Maschine +/- - * + -- -Kosten System +/- +/- - +/- -Fertigung + - ++ - --Geräusch + ++ - + --

AS: Asynchron-, PSM: Permanentmagnet-Synchron-, SR: Switched Reluctance-,


GS: Gleichstrom- TF: Transversalfluß-Maschine *) Selten Erden Materialien


Allgemeine Beanspruchungen elektrischer Maschinen

Mechanische Beanspruchung

Stoßbelastung

Allgemeine Beanspruchungen elektrischer Maschinen

StoßbelastungDichtungen bei rotierenden Teilenkompakte BauweiseFliehkraftbelastungen auf dem rotierenden Teilen

Thermische Beanspruchung

Umgebungstemperatur: - 30 °C bis +60 °CLuftfeuchtigkeit: bis 100 %Luftfeuchtigkeit: bis 100 % Thermische AusnützungIsolationsklasse A- 200 max. mittlere Wicklungstemperaturen

Elektrische BeanspruchungElektrische Beanspruchung

Sinusspeisung: Prüfspannung lt. NormWechselrichterspeisung: du/dt = bis 10 kV/μs bei IGBT- WR


Lebensdauer: 10 – 15 Jahre


2Allgemeine Auslegungskriterien elektrischer Maschinen

11

22

2BAnlDS FeiN

2

BAC

Innere Scheinleistung

Esson´sche Leistungszahl 112BAC

CVClDM RotorFei ~~ 2

Esson sche Leistungszahl

Drehmoment otoei

weitere Auslegungsparameter: Wärmeabfuhr, Fliehkräfte, thermische Klasse,

Stöße und Vibrationen, Umweltbedingungen, Einsatzdauer,…

Industrieantriebe Traktionsantriebe

Esson´sche Leistungszahl kVAmin/m³ 2 bis 5* 3 bis 10*

Thermische Klasse EN 60034/60085 B, F, H 200, (C), (220)/ , , , ( ), ( )

Einsatztemperatur °C ‐ 20 bis 40 ‐ 40 bis 60

Spannungsversorgung Sinus bzw. WR Wechselrichter WR


* je nach Baugröße, Kühlart, Einsatzbedingungen

Gr ndlagen on elektrischen MaschinenGrundlagen von elektrischen MaschinenAsynchronmaschine ASM

DrehfeldwicklungK hl ßlä f

y

• Kurzschlußläufer• Drehzahlgeber• +: einfacher Aufbau+: einfacher Aufbau• -: Rotorverluste


Gr ndlagen on elektrischen MaschinenGrundlagen von elektrischen Maschinen18910 16

7

21 Statorgehäuse2 Lagerschild AS3 Wellemende AS (DS)

6

7

12

4 Rotorwelle5 AS- Lager6 Kurzschlußwicklung7 Statorwicklung

514

3

138 Statorblechpaket9 Kühlkanäle 10 Flüssigkeitseintritt11 Anschlussstecker

154

12 BS- Lagerschild13 Impulsgeberscheibe14 BS- Lager15 Impulsgeber

Längsschnitt Flüssigkeitsgekühlte Asynchronmaschine

11 4 16 Wicklungsverbinder


Längsschnitt Flüssigkeitsgekühlte Asynchronmaschine


ASMASM


Gr ndlagen on elektrischen MaschinenGrundlagen von elektrischen MaschinenDrehstromasynchronmaschine (ASM oder IM)

Ankerstellbereich:U, P = prop. f bzw. nΦ, I, M = konst.U

U,P,f1I,M,Φ

Feldschwächbereich:f = prop nU, P, I = konst.Φ, M = prop 1/n P

f

Begrenzung durch Kippmoment:f = prop nU = konstΦ P I = prop 1/n

P

IM

Φ Φ, P, I = prop 1/nM = prop 1/n²

Ankerstell-bereich

Feldschwäch bereich

Φ

n

Steuerkennlinien einer ASM [1]

begrenzt Drehmoment / Leistung Umrichterstrom Umrichterspannung Kippmoment nmax

M = k1 . Φ . I n = f . 60 / p


s = (ns- nr) / ns

Gr ndlagen on elektrischen MaschinenGrundlagen von elektrischen MaschinenPM-Synchronmaschine PSM• Drehfeldwicklung oder

Einzelzahnwicklung• Rotor mit Oberflächen- oder

vergrabenen PMvergrabenen PM• Rotorlagegeber+ hoher Wirkungsgrad+ geringe Rotorverlusteg g- Grenztemperatur der Magnete - Längsstrom f. Feldschwächung


Gr ndlagen on elektrischen MaschinenGrundlagen von elektrischen MaschinenPSM



Vergleich ASM / PSM

Typ TMF 35 28 4 TMPF 35 28 8

Vergleich ASM / PSM

Typ TMF 35‐28‐4 TMPF 35‐28‐8Art ASM PSMP 120 kW 200 kWP 120 kW 200 kWn 1705 min‐1 1925 min‐1

M 672 Nm 993 NmM 672 Nm 993 NmV 0,25 m³/s 0,25 m³/sm 350 kg 342 kg

TMPF 35-28-8

m 350 kg 342 kgηmax 92,6 % 96,5 %

Steigerung der abgegebenen mechanischen Leistung: 67 %


Steigerung der abgegebenen mechanischen Leistung: 67 % Steigerung des abgegebenen mechanischen Drehmomentes: 48 %

Gr ndlagen on elektrischen MaschinenGrundlagen von elektrischen MaschinenPM-Motor TMPF 35-28-8: Wirkungsgrad Kennlinienfeld

n N

mom

ent M

inor

dreh

mo

Mot

o


Motordrehzahl n in min-1


Verluste in elektrischen MaschinenVerluste in elektrischen Maschinen

Eisenverluste Pfe = B² . f + B² . f² (Ermittlung aus LL-Versuch)

Stromwärmeverluste: Pcu = I² . Rw (Berechnung lt. Formel)

ASM: Rotorverluste Pro = Pd . s Pd = Drehfeldleistung

Reibungsverluste: Luft – und Lagerreibung (Ermittlung aus LL-Versuch, bzw. Auslaufversuch)

Z t l t P 0 005 P (I²/I ²) lt NZusatzverluste: Pzus = 0,005 . Pzu. (I²/In²) lt. Norm

WR- zusätzliche Verluste: Abhängigkeiten: Taktfrequenz, Induktivitäten,


g g q , ,Zwischenkreisspannung, LE- Bauelemente

Kühlarten on elektrischen MaschinenKühlarten von elektrischen Maschinen

Kühlarten elektrischer Maschinen

Kühlung mit Gasen Kühlung mit Flüssigkeiten Kühlung mit Änderung des Aggregatzustandes

Wasser/Glykol Ölen FlüssigenGasen Luft Helium Heat pipes

Außenbereich Innenbereich InnenbereichAußenbereich

Geschlossene, gekapselteMaschine

0ffene, nicht gekapselteMaschine



Kühlmittel Luft Kühlflüssigkeitg

mittlere Temperatur des Kühlmittels 60 °C 70 °C

Wärmeleitfähigkeit W/mK 0,029 0,44

Wärmeübergangszahl W/m²K 30 - 100 1900

spez. Wärmekapazität c Ws/kgK 1,009 3600

Di ht k / ³ 1 0452 1048Dichte kg/m³ 1,0452 1048

spez. Volumetrische Wärmekapazität c. Ws/m³K 1,0546 3772800

Beispiel: Pmot : 200 kW Pverluste = 14 kW

abzuführende Verlustleistung Pverl W 14000 14000Temperaturunterschied Ein-Austritt T K 30 8pnotwendige Kühlmenge V´ m³/s 0,44 0,00046

l/min 26500 27,8Strömungsquerschnitt A mm² 22000 1500Strömungsgeschwindigkeit w m/s 20 0 31


Strömungsgeschwindigkeit w m/s 20 0,31


+ geringe Geräuschentwicklung trotz hoher Drehzahlen

Vorteile von flüssigkeitsgekühlten Maschinen

+ durch Realisierung hoher Drehzahlen geringes Motorvolumen möglich+ durch Kapselung des Motors Innenraum geschützt+ kleiner Anschlußquerschnitt für Kühlflüssigkeit

h h th i h Üb l tb k it d h ß th i h Z itk t t+ hohe thermische Überlastbarkeit durch große thermische Zeitkonstante+ Kühlung auch bei Motorstillstand

- geringe Kühlung des Rotors (bei alleiniger Außenmantelkühlung)geringe Kühlwirkung des Motorlagers bei Gehäusemantelkühlung- geringe Kühlwirkung des Motorlagers bei Gehäusemantelkühlung

- derzeit nur bei kleinen Motoren bzw. Leistungen möglich- Dichtigkeitsanforderungen an das Motorgehäuse- Reduzierung des Aktivstatordurchmessers durch Realisierung des


- Reduzierung des Aktivstatordurchmessers durch Realisierung des

Z sammenfass ng

- Elektrische Maschinen inkl deren Wechselrichter haben einen

Zusammenfassung

Elektrische Maschinen inkl. deren Wechselrichter haben einen Wirkungsgrad von ca. 90 – 95 %

- Im Traktionsbereich auf Straße und Schiene werden 2 Arten vonIm Traktionsbereich auf Straße und Schiene werden 2 Arten von Maschinen eingesetzt

- ASM Asynchronmaschine- PSM Synchronmaschiney

- Die Verluste von elektrischen Maschinen werden unterteilt in- Stromwärmeverluste (Kupferverluste)- Eisenverluste (Hysterese – und Wirbelstromverluste)- Reibungsverluste

- Die Kühlung von elektrischen Maschinen mit Kühlflüssigkeit (Wasser-/Glykol-Gemisch ist sehr effizient und lässt große Leistungs- bzw. Momentendichte zu.


Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Univ -Prof Dr Dr habil Harald NeudorferUniv.-Prof. Dr. Dr. habil. Harald [email protected]


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