Grundwissen / Lernfeld 3 Elektrotechnik

Grundwissen / Lernfeld 3

• Elektrotechnik:

• Der Elektromotor

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.

Elektrische Maschinen im Kfz Definition

• Elektrische Maschinen

• Ruhende Nicht-ruhende

• (Transformator)

• Rotation Translation (Linearmotor)

• Motor Generator

Elektrische Maschinen im Kfz Definition

• Gleichstrommaschinen

• Drehfeldmaschinen

• Wechselstrommaschinen

• Drehstrommaschinen

Elektrische Maschinen im Kfz Definition

• Betriebsarten rotierender elektrischer Maschinen:

• Motorisch

• Generatorisch

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

Elektrische Maschinen im Kfz Physik

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

Elektrische Maschinen im Kfz Physik

• Ursache ist das Induktionsgesetz von Faraday:

Elektrische Maschinen im Kfz Physik

• Nur am Rande: Übertrager der magneti-schen Kraft sind die Photonen!

Elektrische Maschinen im Kfz Physik

• Man nehme also:

• bewegliche Elektronen z. B. in einem elektrischen Leiter

• eine Änderung z. B. die Bewegung

• ein Magnetfeld

Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator

• Experiment: Wechselspannungserzeugung

• Stator zweipolig permanenterregt

• Rotor Doppel-T

• Erkenntnis: konstantes magnetisches Feld, bewegter Leiter  Induktionsspannung

Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator

Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator

Elektrische Maschinen im Kfz ELM Generator

• Experiment: Spannungserzeugung

• Stator zweipolig mit Spulen

• Rotor zweipolig permanenterregt

• Erkenntnis: variables magnetisches Feld, feststehender Leiter  Induktionsspannung

Elektrische Maschinen im Kfz AC Servo

• Experiment: Drehspannungserzeugung

• Stator dreipolig mit Spulen

• Rotor zweipolig permanenterregt

• Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen Spannung

Elektrische Maschinen im Kfz ELM Synchrongenerator

• Experiment: Spannungserzeugung

• Stator dreipolig mit Spulen

• Rotor zweipolig mit Spulen

• Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen Spannung

Elektrische Maschinen im Kfz Gleichstrommotor

• Gleichstrommotor

• Häufig eingesetzt, z. B. als Fensterheber

• sehr gut und einfach regelbar

• Drehzahl hängt von der Spannung ab

• nicht verschleißfrei

• Generatorbetrieb im Kfz möglich

Elektrische Maschinen im Kfz Gleichstrommotor

• Gleichstrommotor

• Wir bauen einen ...

Elektrische Maschinen im Kfz Drehstrom

• Drehstrom

Elektrische Maschinen im Kfz Drehstrom

• Drehfeld

• drei sinusförmige Wechselfelder jeweils um 120° verschoben

• Anschluss in Stern- oder Dreieckschaltung

Elektrische Maschinen im Kfz ELM Drehfeld

• Experiment: Drehfeldnachweis

Elektrische Maschinen im Kfz Asynchronmotor

• Asynchronmotor Aufbau

Elektrische Maschinen im Kfz Drehstrommotor

• Drehstrommotor

• Selten eingesetzt im Kfz, z. B. Elektromechanische Lenkung

• sehr gut regelbar, aber aufwändig

• Leerlaufdrehzahl abhängig von Frequenz

• verschleißfrei

• Generatorbetrieb im Kfz nicht möglich

Elektrische Maschinen im Kfz Asynchronmotor

• Experiment: Kennlinienaufnahme

Elektrische Maschinen im Kfz Synchronmotor

• Aufbau

Elektrische Maschinen im Kfz Synchronmotor

• Synchronmotor

• Nicht eingesetzt im Kfz

• sehr gut regelbar, aber aufwändig

• Drehzahl hängt von der Frequenz ab

• nicht verschleißfrei

• Generatorbetrieb im Kfz sehr gut möglich

Elektrische Maschinen im Kfz Synchronmotor

• Experiment: Kennlinienaufnahme

Elektrische Maschinen im Kfz AC-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

Elektrische Maschinen im Kfz AC-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

Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor

• Aufbau

Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor

• Experiment: Kennlinienaufnahme

Elektrische Maschinen im Kfz AC-Servomotor

• Einsatz im Parallelhybrid

Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid

• Aufbau

Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid

• Leistungselektronik

Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid

• Funktion

Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid

• Funktion

Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid

• Funktion

Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid

• Funktion

Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid

• Funktion

Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid

• Funktion

Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid

• Betriebszustände

Elektrische Maschinen im Kfz Parallelhybrid

• Betriebszustände

Elektrische Maschinen im Kfz Simulation eines Parallelhybrids

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)

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.

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.