Kfz-Technik

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Kfz-Technik Powered By Docstoc
					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.
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                                         Elektrische Maschinen im Kfz
                                                             Definition


                             Die kennen wir
         Elektrische Maschinenalle aus dem
                                  Auto!
Ruhende                  Nicht-ruhende
(Transformator)


                  Rotation               Translation
                                         (Linearmotor)

                                     ... im Auto?
                                Klar, die Zündspule!
         Motor           Generator




                                                                  3
                           Elektrische Maschinen im Kfz
                                               Definition



Gleichstrommaschinen

Drehfeldmaschinen
   Wechselstrommaschinen

   Drehstrommaschinen



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                     Elektrische Maschinen im Kfz
                                         Definition



Betriebsarten rotierender
elektrischer Maschinen:

    Motorisch

    Generatorisch

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                         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
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                         Elektrische Maschinen im Kfz
                                                Physik




U i  (v  B)  l  v  B  l
                                                 7
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                                                 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
                                                  8
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• Ursache ist das Induktionsgesetz von
  Faraday:




           F  I  (l  B)  I  l  B
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Elektrische Maschinen im Kfz
                       Physik



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


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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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                                       ELM Generator


Experiment: Wechselspannungserzeugung
• Stator zweipolig permanenterregt
• Rotor Doppel-T
• Erkenntnis: konstantes magnetisches
  Feld, bewegter Leiter 
  Induktionsspannung



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Elektrische Maschinen im Kfz
              ELM Generator




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Elektrische Maschinen im Kfz
              ELM Generator




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                                           ELM Generator


Experiment: Spannungserzeugung
• Stator zweipolig mit Spulen
• Rotor zweipolig permanenterregt
• Erkenntnis: variables magnetisches Feld,
  feststehender Leiter 
  Induktionsspannung



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                            Elektrische Maschinen im Kfz
                                                AC Servo


Experiment: Drehspannungserzeugung
• Stator dreipolig mit Spulen
• Rotor zweipolig permanenterregt
• Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen
  Spannung




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                            Elektrische Maschinen im Kfz
                                   ELM Synchrongenerator


Experiment: Spannungserzeugung
• Stator dreipolig mit Spulen
• Rotor zweipolig mit Spulen
• Erkenntnis: Erzeugung einer 3-phasigen
  Spannung




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                              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

             U A 2  RA
          n                 M
             c   (c   ) 2
                                                     18
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                                   Gleichstrommotor


Gleichstrommotor
Wir bauen einen ...




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                               Elektrische Maschinen im Kfz
                                                   Drehstrom


Drehstrom

                     Strom der
                    sich dreht?
            Natürlich nicht!
            Gemeint ist das
             „DrehFELD“

                                                      20
                             Elektrische Maschinen im Kfz
                                                 Drehstrom


Drehfeld
drei sinusförmige Wechselfelder jeweils um
  120° verschoben
Anschluss in Stern- oder Dreieckschaltung
         Also immer 3 Anschlüsse!




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                           Elektrische Maschinen im Kfz
                                           ELM Drehfeld


Experiment: Drehfeldnachweis




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                        Elektrische Maschinen im Kfz
                                      Asynchronmotor


Asynchronmotor Aufbau




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                              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
                          '
            f1          U
       n1         Mi ~   2
                            I2
                              '

            p           n2                          24
                          Elektrische Maschinen im Kfz
                                        Asynchronmotor


Experiment: Kennlinienaufnahme




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                         Elektrische Maschinen im Kfz
                                        Synchronmotor


Aufbau




     Schenkelpolläufer    Vollpolläufer
                                               26
                            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



                                                  27
                          Elektrische Maschinen im Kfz
                                         Synchronmotor


Experiment: Kennlinienaufnahme




                                                28
                          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

                                                29
                           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


                                                 30
         Elektrische Maschinen im Kfz
                       AC-Servomotor


Aufbau




                               31
                          Elektrische Maschinen im Kfz
                                        AC-Servomotor


Experiment: Kennlinienaufnahme




                                                32
                            Elektrische Maschinen im Kfz
                                          AC-Servomotor


Einsatz im Parallelhybrid




                                                  33
         Elektrische Maschinen im Kfz
                         Parallelhybrid


Aufbau




                                 34
                              Elektrische Maschinen im Kfz
                                              Parallelhybrid


Leistungselektronik


               AC      AC
              700 V




                DC     DC
               12 V   200 V



                                                      35
           Elektrische Maschinen im Kfz
                           Parallelhybrid


Funktion




                                   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
  Wenn es der Ladezustand des
                                                                     Parallelhybrid
                   Kaltstart des in Elektrisches Anfahren
Energiespeichers zulässt, kann VM durchFahrzeug steht, VM läuft und lädt über
                     Stop-and-Go- oder Rangieren (VM
Stillstandsphasen imdie E-Maschine über die geschlossene Kupplung K1 mit der
Betriebszustände
Verkehr oder beim Ampelstopp der steht,generatorisch betriebenen E-Maschine
                        Kupplung K1        Kupplung K1 ist
VM abgestellt werden (Motor-Start- des geöffnet).
                   (ermöglicht Entfall      den elektrischen Energiespeicher
 Stopp). Die Bordnetzversorgung
                       Motor-Starters)       (elektro-chemische Batterie oder
 wird während dieser Phasen vom             Doppelschichtkondensatoren) auf.
  Energiespeicher übernommen.




                                                                             42
                                                       Elektrische Maschinen im Kfz
                                                                       Parallelhybrid


Betriebszustände

                                         Wenn der VM ansynchronisiert ist, wird
  In Schubsituationen, z. B. beim            der Schlupf an der Kupplung K1
                   Zustartdas VM bei höheren
                           des
                Die Effizienz der Umwandlung von kinetischer in
      Bergabfahren, kann                   abgebaut und der VM übernimmt die
                   Fahrgeschwindigkeiten oder
               elektrische Energie in Schubsituationen oder beim
       Schubmoment durch                  Antriebsleistung. Die E-Maschine kann
                        kann noch dadurch
                            einer
              Bremsen beider E- erhöhten erhöht werden, dass in
  generatorischen Betrieb                in diesem Betriebszustand zeitweise ihr
                   Leistungsanforderung durch
                  diesen Betriebszuständen der VM mit seinem
 Maschine abgebildet werden. Die             Drehmoment dem verbrennungs-
                       den Fahrer Schubbetrieb durch Öffnen der
               Schleppmoment im über die
Schubenergie wird so in elektrische       motorischen Drehmoment überlagern,
                    schlupfende
                              abgekoppelt und
               Kupplung K1 im Kupplung K1.abgestellt wird, also
     Energie gewandelt und                  so z. B. beim Boosten oder bei der
                        nicht               werden muss.
         Energiespeicher mitgeschleppt Nachbildung des Drehmoments der
  zwischengespeichert. Mit noch              entfallenen Wandlerüberhöhung.
 höherer Leistung kann elektrische
Energie beim Bremsen rekuperiert
              werden.

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  Elektrische Maschinen im Kfz
Simulation eines Parallelhybrids




          AC-Servo mit Rotor-
          FU-Motor als als
         Pendelmaschine als
              lagegeber
          mechanische Last
     Verbrennungsmaschine
            Elektromaschine




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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 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.
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