29. März 2010

Elektrische Bewegung

Bis vor kurzer Zeit reichte es aus, wenn die Spezialisten in den Garagen die Gleichstrommotoren kannten. Es kamen die Schrittmotoren dazu; doch plötzlich hört man Hybrid- oder Elektroantrieb und schon werden wir mit Wechselstrommotoren und Hochspannung konfrontiert. Allem Anschein nach wird der politische Druck auch kaum mehr nachlassen, so dass sich neben den erfolgreichen Hybridmodellen auch reine Elektrofahrzeuge etablieren werden.

Elektrische Bewegung

Bild 1. Nissan stellte am Automobilsalon mit dem Modell Leaf ein Elektrofahrzeug vor, das in ausgewählten Ländern noch in diesem Jahr zum Verkauf angeboten werden soll.

VON ANDREAS LERCH

Die Elektrofahrzeuge sehen auf den ersten Blick nach der Erfindung des «Ei des Kolumbus» aus: Sie sind fast geräusch- und emissionslos und daher natürlich auf alle Seiten ökologisch. Experten haben jedoch berechnet, dass – gerade in China – elektrisch betriebene Fahrzeuge mehr CO2 ausstossen als sparsame Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Das hängt damit zusammen, dass in China momentan noch quasi die ganze elektrische Energie mit thermischen Kohle- und Schweröl-Kraftwerken hergestellt wird. Danach kommen die Transportverluste und Speicherverluste in den Batterien dazu, und so kann diese Rechnung nachvollzogen werden.

In der Schweiz sieht diese Bilanz – dank unserem Anteil an Wasserkraft – natürlich bedeutend besser aus. Klar ist, dass Elektrofahrzeuge örtlich emissionsfrei fahren und so sicher für Ballungszentren geeignet sind. 

 

Eigenschaften

Gegenüber der Wasserstofftechnologie ist die Betankungsinfrastruktur für Elektrofahrzeuge so gut wie vorhanden: Je nach Ladeart wird lediglich eine 30 Ampère liefernde 230-Volt-Steckdose benötigt. Bei Elektrofahrzeugen kann natürlich auch Bremsenergie zum Teil zurückgewonnen werden. Die eingeschränkte Reichweite durch die geringe gespeicherte elektrische Energie versucht man häufig durch leichte und kleine Fahrzeuge zu kompensieren. Wenn die Massenverminderung jedoch auf Kosten der Fahrzeugsicherheit erreicht werden soll, ist sicherlich Vorsicht geboten.

Als Nachteil gilt die lange Ladezeit. Als Alternative müsste da der jeweilige Austausch des Batterienpacks ins Auge gefasst werden.

Mit einem Range-Extender-Hybrid wären diese Probleme teilweise wiederum gelöst. Im Range-Extender liefert im Notfall ein kleiner Verbrennungsmotor genügend elektrische Energie, dass das Fahrzeug weiterbetrieben werden kann. Natürlich muss dazu wieder ein Verbrennungsmotor eingebaut und gewartet werden.

 

Antriebsarten

Werden Fahrzeuge mit Elektromotoren angetrieben, können sich natürlich auch neue Antriebsarten durchsetzen. Der voluminöse und schwere Akkumulator kann kaum einfach «versteckt» werden. Vielmehr muss er in die Grundstruktur des Fahrzeuges eingeplant werden, damit er nach Möglichkeit den Schwerpunkt senkt und bei Bedarf mit wenigen Handgriffen ausgetauscht werden könnte.

Die Leistungselektronik ist eher versteckbar. Es kommt da auf die Lage des oder der Elektromotoren an. Diese können analog zu Verbrennungsmotoren zentral eingebaut, und das Drehmoment kann über ein (einfaches) Getriebe und einen Antriebsstrang zu den Rädern geleitet werden. Zwei Motoren können auch anstelle eines Differenzialgehäuses eingebaut werden und die Räder über Gelenkwellen antreiben. Die Radnabenmotoren wurden bereits im Lohner-Porsche zu Beginn des 20. Jahrhunderts ausprobiert. Im Moment wird diese Antriebsart vor allem bei Michelin erforscht und entwickelt. Die Idee ist grundsätzlich genial, doch wird die Motormasse der ungefederten Masse des Fahrzeuges zugeordnet, was natürlich den Abroll- und Federungskomfort drastisch verschlechtert.

 

Getriebe und Nebenaggregate

Da Elektromotoren bereits bei geringen Drehzahlen ihre maximalen Drehmomente entfalten und bis zu sehr hohen Drehzahlen (je nach Bauart weit über 10'000/min) belastbar sind, können Getriebe in der konventionellen Bauart eingespart oder in einer vielleicht ein- oder zweigängigen Ausführung eingesetzt werden.

Die Nebenaggregate dürfen bei Elektrofahrzeugen nicht vergessen werden. Lenk- und Bremsunterstützungen sind nicht allzu aufwändig, doch die Elektroheizung und der Betrieb von elektrischen Klimakompressoren helfen natürlich extrem, die Reichweite der Fahrzeuge zu vermindern.

 

Elektromotoren

Um Elektrofahrzeuge anzutreiben, können verschiedene Elektromotoren eingesetzt werden. Bei den Gleichstrommotoren kann über die Reihenschluss- und die Nebenschlussmotoren diskutiert werden. Alle Wechselstrommotoren werden mit 3-phasigem Wechselstrom oder Drehstrom betrieben. Dabei unterscheidet man die Asynchron- und die Synchronmotoren. Als Spezialmotoren kommen auch bürstenlose Gleichstrommotoren, Transversalflussmotoren und geschaltete Reluktanzmotoren in Frage.

Wird die Tabelle mit den Eigenschaften verglichen, fällt auf, dass es vor allem um die Asynchronmaschinen, die geschalteten Reluktanzmaschinen und um die dauermagnetisch erregten Synchronmaschinen gehen muss.

 

Synchronmaschinen

Wird ein Drehstromgenerator, wie er in «AUTO&Technik» 3/2010 zur Erzeugung von Drehstrom beschrieben wurde, wiederum mit Drehstrom betrieben, läuft er als Motor. Nach der roten Spule U erreicht die blaue V und dann die grüne W das positive Maximum der Spannungsversorgungskurve. So wird das Magnetfeld im Uhrzeigersinn grösser. Natürlich wechselt das Magnetfeld mit dem Stromfluss auch seine Polarität, so wird in der roten Spule U das umgekehrte maximale Magnetfeld genau zwischen den positiven Maxima der blauen und grünen Spulen erreicht. Das Drehmoment wird also sehr regelmässig erzeugt, da der sinusförmige Kurvenverlauf die Magnetfelder langsam und stetig an- und absteigen lässt. 

Die Synchronmaschinen laufen synchron mit der anliegenden Frequenz der Wechselspannungen. Der Rotor bewegt sich drehförmig frequenzgenau mit dem Spannungswechsel in den einzelnen Spulen.

Ob der Rotor permanent oder elektrisch erregt wird, kann der Hersteller entscheiden. Um grosse Drehmomente zu erreichen, müssen die Magnete natürlich auch entsprechend stark sein. Wenn es jedoch Permanentmagnete sind, kommt die Maschine ohne Schleifringe und Kohlebürsten aus.

Daneben gibt es auch die Aussenläufermaschinen. Bei diesen werden die drehenden Permanent- oder Elektromagneten um die feststehenden Erregerspulen herum platziert. Ihr Vorteil liegt darin, dass die Fliehkräfte die permanentmagnetischen Plättchen in die rotierende Trommel hineindrücken. Ebenso kann der Stator mit seinen drei Erregerspulen direkt an den Motorkühlkreislauf angeschlossen werden.

 

Generatorbetrieb

Um im generatorischen Betrieb die Ladespannung zur regeln, werden bei den Alternatoren Rotormagnetfelder mehr oder weniger erregt. Handelt es sich nun aber um permanenterregte Synchronmaschinen, können die Permanentmagnete nicht direkt abgeschwächt werden. So müssen die Statorfelder durch berechnete Gegenströme ein Gegenmagnetfeld aufbauen und so das permanente Magnetfeld abschwächen. Es wird dabei von Feldschwächung gesprochen.

 

Reluktanzmaschinen

Bei den Reluktanzmaschinen unterscheidet man zwischen den Drehfeld- und den geschalteten Maschinen. Durch die elektronischen Fortschritte der letzten Jahrzehnte sind die geschalteten Reluktanzmaschinen für den Fahrzeugantrieb im Vorteil. Der verzahnte Rotor ist weichmagnetisch und (in der Regel) nicht magnetisiert. Die am Umfang des Stators aufgebauten Statorspulen können einzeln ein- und ausgeschaltet werden. Damit wird ein Drehfeld von beliebiger, elektronisch gesteuerter Geschwindigkeit aufgebaut und der Rotor dreht immer zu den bestromten Spulen und Magnetfeldern. Je kleiner der Luftspalt zwischen Rotor und Stator ist, desto kleiner wird der magnetische Widerstand (=Reluktanz) und desto grösser werden die Kraft und das Drehmoment des Motors. Kurz bevor ein Rotorzahn der anziehenden Spule gegenübersteht, wird diese ausgeschaltet und dafür die nächste eingeschaltet. Um diese Schaltpunkte exakt bestimmen zu können, verfügen derartige Maschinen in der Regel über Positionsgeber. Anstelle dieser Schaltung können die Statorspulen auch mit einem dreiphasigen Wechselstrom betrieben werden. Dann wird das Funktionsprinzip des Motors jenem des Synchronmotors natürlich noch ähnlicher.

Um diese Maschinen auch generatorisch betreiben zu können, müssen die Rotoren magnetisch sein, die Funktion bleibt sich aber im Prinzip gleich. Der Reluktanzmotor war im Prinzip auch der erste Schrittmotor.

 

Asynchronmaschine

Im Stator befinden sich wiederum die drei, mit Drehstrom versorgten Wicklungen. Auch der Anker erhält hier Wicklungen oder zumindest axial eingelegte Leiter. Diese sind jedoch untereinander kurzgeschlossen und werden nicht über Schleifringe oder Kollektoren bestromt.

Durch die sich ständig auf- und abbauenden Erregermagnetfelder werden in ihnen jedoch Spannungen und Ströme induziert, welche um die Leiter herum wiederum Magnetfelder erzeugen. Diese üben ihrerseits dann die Kraftwirkung auf die Statorfelder aus, und so kann sich der Rotor bewegen. Da sich das Magnetfeld immer neu aufbauen muss, hinkt diese Motorenart der Frequenz des Statorfeldes etwas hintennach. Aufgrund dieses Schlupfes wird die Motorenart als asynchrone Maschine bezeichnet. Für die Asynchronmaschinen spricht vor allem der hohe Entwicklungsstand. 

 

Frequenzgeneratoren

Während im Auto bisher der Drehstrom immer nur in Gleichstrom gleichgerichtet werden musste, geht es mit den neuen Maschinen nun auch in die andere Richtung.

Technisch werden diese Umwandler Generatoren genannt. Herkömmlichen Funktionsgeneratoren können Rechteck-, Sägezahn- und Sinussignale entnommen werden. Für die Drehstromerzeugung braucht es im Steuergerät drei sinuserzeugende Signale, welche dann in einer Verstärkerstufe auf die hohen Spannungs- und Strombedarfe der leistungsstarken Traktionsmotoren angehoben werden.

Die Generatoren bestehen im Prinzip aus vier Schaltungseinheiten: Als frequenzbestimmende Teile werden entweder LC-Glieder oder RC-Glieder oder Schwingquarze verwendet. Ein LC-Glied besteht aus parallel geschalteten Spulen (Induktivitäten L) und Kondensatoren (Kapazitäten C), RC-Glieder sind parallelgeschaltete Widerstände (R) und Kondensatoren (C). Schwingquarze bestehen aus hochreinem Siliziumdioxid (SiO2) und werden aus einem Quarzkristall herausgeschnitten. Wird der Quarzkristall speziell in eine elektronische Schaltung integriert, kann er eine sehr konstante Frequenz einhalten und so den ganzen Schwingkreis steuern.

Neben dem frequenzbestimmenden Glied braucht es eine Verstärkerschaltung (noch nicht die Endstufe), eine Amplitudenbegrenzung zum Schutz, dass die Schaltung sich nicht selber aufschwingt und zerstört und ein Rückkoppelungsnetzwerk, welches die ausgehenden Schwinungen wieder rückkoppelt und so zur Frequenzbestimmung beitragen kann.

 

Wechselrichter

Im Bild 10 ist ein Wechselrichter für eine fremderregte Synchronmaschine dargestellt. Die Transistoren stellen die Leistungsendstufe dar und sind alle mit Freilaufdioden geschützt. Die Ansteuerung der Endstufen erfolgt über die Generatoren mit der nötigen Frequenz und Amplitude. Der Kondensator welcher parallel zu den Spannungsquellen eingezeichnet ist, schützt diese vor Schwingungen, welche in diesem Steuergerät erzeugt werden. Der fremderregte Rotor wird mit Gleichstrom versehen und weist ebenfalls eine Schutzdiode vor Selbstinduktionsspannung auf, damit der Leistungstransistor in der Masseleitung nicht zerstört wird.

Derartige Wechselrichter können auch für Asynchronmaschinen eingesetzt werden. Im Bild 11 ist die ganze Fahrsteuerung als Blockschaltbild zusammengefasst. Der Fahrerwunsch wird mit der Fahrgeschwindigkeit und dem Batterieladezustand verknüpft und in ein «Soll-Drehmoment» umgerechnet. Dieses wird transformiert und dem Wechselrichter zugeführt. Dort wird die entsprechende Frequenz und Amplitude errechnet, und in der Leistungsendstufe werden die Ströme geschaltet. Der Regelkreis schliesst sich, wenn die Rücklaufsignale von den Phasenströmen und den Phasenspannungen zurück zum Steuergerät kommen. Am Schluss meldet der Drehzahlgeber die Drehzahl und die Rotorposition, welche dann vom Steuergerät auch als Geschwindigkeit oder Geschwindigkeitsänderung berechnet werden kann.

Die Motoren werden in Zukunft mit grossen Spannungen und Strömen versorgt werden, wie heute markieren aber die komplexen Steuerungen und Regelungen jene Punkte, auf welche wir unser Interesse fokussieren müssen.

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