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Seit der Entwicklung der Leistungselektronik gehören Dreiphasenmotoren in Traktionsanwendungen zum Stand der Technik. Die wichtigsten Vorteile ihres Einsatzes sind die hohe Leistungsdichte, der hohe Wirkungsgrad und der geringe Wartungsaufwand. Der Asynchronmotor ist heute der am weitesten verbreitete Motortyp. Alternativ sind Permanentmagnet-Synchronmotoren aufgrund ihres noch höheren Wirkungsgrades bei speziellen Betriebsbedingungen und Umgebungen eine immer beliebtere Alternativlösung geworden.
Der verfügbare Platz ist bei Traktionsanwendungen in der Regel begrenzt, sodass der Platzbedarf eine wichtige Überlegung bei der Konstruktion des Fahrzeugantriebs darstellt. Die erforderliche Größe eines Elektromotors wird dabei hauptsächlich durch das erforderliche Drehmoment und weniger durch die Leistung definiert.
Drehmoment- und Leistungswerte werden in Motordatenblättern üblicherweise ohne Berücksichtigung thermischer Grenzwerte angegeben. Zeitliche Limitierungen müssen separat bewertet werden, um verschiedene Motoren vergleichen zu können und eine Überhitzung zu vermeiden. Eine Ausnahme sind Betriebspunkte, die mit „S1“ gekennzeichnet sind (meist auch der Nenn- oder Bemessungspunkt). S1-Betrieb bedeutet, dass dieser Punkt im Dauerbetrieb gefahren werden kann, wenn die vorgeschriebene Kühlung gewährleistet ist.
Wir hingegen legen unsere Motoren nach den betrieblichen Anforderungen aus, in denen Ihr Fahrzeug tatsächlich betrieben wird. Sie schicken uns einfach Ihre Betriebssimulationsdaten und wir berechnen den Energieverbrauch und die Motortemperaturen. Anhand dieser Daten können wir genau sagen, ob der gewählte Motor für die von Ihnen zu fahrenden Strecken geeignet ist.
Drehmoment und Leistungsdichte sind bei modernen Traktionsmotoren sehr hoch, daher ist ein geeignetes Kühlkonzept entscheidend, um eine Überhitzung im Betrieb zu vermeiden. Am gebräuchlichsten sind Flüssigkeitskühlung oder Fremdbelüftung über ein externes Gebläse-Aggregat. Motoren mit eigenbelüfteter Kühlung verwenden einen direkt an der Welle angebrachten Lüfter, sodass kein externes Kühlsystem erforderlich ist.
In der Konzeptphase eines neuen Motorentwurfs ist die allgemeine Spannungshöhe von geringer Bedeutung, da der Motor durch eine entsprechende Änderung der elektrischen Wicklung angepasst werden kann. Die Kenntnis der Motorspannung ist jedoch entscheidend für die Stromberechnung, die einen erheblichen Einfluss auf die Auslegung des Umrichters haben wird.
Prinzipieller Aufbau
einer ASM
Asynchronmaschinen mit einer kurzgeschlossenen Rotorwicklung („Kurzschlusskäfig“) bieten eine robuste Konstruktion. Für den Betrieb werden ein Umrichter und ein Kühlaggregat benötigt, sowie optional Drehzahl- und Temperatursensoren. Der Umrichter kann das Magnetfeld im Motor anpassen, um unter allen Betriebsbedingungen einen optimalen Wirkungsgrad zu gewährleisten. Auch zwei oder mehrere Motoren können ohne Zusatzgeräte parallel an einen Umrichter angeschlossen werden. Durch die bestmögliche Abstimmung mit der Betriebsweise der Umrichter ist ein optimaler Wirkungsgrad zu erreichen.
Prinzipieller Aufbau
einer PMSM
Permanentmagnete erzeugen das Magnetfeld im Inneren des Motors einer PMSM. Höchste Wirkungsgradwerte sind bei niedriger Drehzahl oder Ausnutzung des vollen Drehmoments erreichbar. Der Wirkungsgrad verringert sich bei höheren Drehzahlen und Teillast aufgrund von Schleppverlusten, die durch das permanente Magnetfeld verursacht werden. Die Motorsteuerung erfordert die Kenntnis der aktuellen Rotorposition. Jede PMSM eines Fahrzeugs benötigt einen eigenen Umrichter. Bei Fahrzeugen mit nur einem (zentralen) Motor, wie Elektrobussen ist dies keine Einschränkung.
Letztendlich hängt es von dem Fahrzeugkonzept und Ihren Anforderungen ab. Erfahren Sie hier mehr über die unterschiedlichen Eigenschaften unserer Permanentmagnet-Synchron- und Asynchrongeneratoren.
Die von TSA hergestellten Permanentmagnet-Synchrongeneratoren (PMSM) sind mit hochenergetischen Permanentmagneten im Inneren des Rotors ausgestattet. Die Maschinen sind vollständig gekapselt und flüssigkeitsgekühlt. Das Magnetfeld in der PMSM wird nur durch Dauermagnete erzeugt. Es gibt also keine separate elektrische Erregung in der PMSM, und es gibt auch keine Anschlüsse zur direkten Regelung der Spannung.
Beim Drehen des Rotors mit geöffneten Anschlussklemmen wird aufgrund der Permanentmagnete immer eine elektrische Spannung an diesen auftreten. Dreht sich der PM-Generator und ist eine leitende Verbindung vorhanden, fließt immer elektrischer Strom, wenn sich die Maschine dreht, sowohl im normalen Betrieb als auch im Kurzschlussfall.
Die elektrische Spannung hängt von der Drehzahl der Maschine ab. Eine höhere Drehzahl entspricht einer höheren Spannung. Die Spannung ist auch von der Last abhängig – je höher die Last, desto niedriger die Spannung. Schließlich hängt die Spannung auch noch von der aktuellen Temperatur der Magnete ab. Während die Spannung bei kalten Magneten höher ist, sinkt sie, wenn die Maschine heiß wird. Das Ausmaß dieses Effekts hängt von der Wahl des Magnetmaterials ab und wird während der Konstruktionsphase berücksichtigt.
Der PM-Synchrongenerator kann mit einem passiven Gleichrichter (B6-Diodenbrücke) eingesetzt werden, aber auch der Betrieb mit einem gesteuerten, aktiven Gleichrichter ist möglich. In den meisten Anwendungen wird der passive Gleichrichter verwendet – im Grunde werden nur 6 Leistungsdioden benötigt, um die 3-Phasen-Wechselspannung des Generators in Gleichspannung umzuwandeln. Der hierdurch mögliche einfachere Aufbau der Leistungselektronik ist einer der wesentlichen Vorteile des PM-Generators gegenüber dem Asynchrongenerator. Die Ausgangsspannung der Maschine kann dann jedoch nur durch Änderung der Drehzahl geändert werden. Um mit den Spannungsschwankungen, entstehend durch die Last oder durch die Magnettemperatur, arbeiten zu können, ist ein größerer Bereich für die zulässige DC-Betriebsspannung günstig.
Prinzipieller Aufbau
einer PMSM
Die von TSA hergestellten Asynchrongeneratoren sind mit Kurzschlusskäfigen aus Kupferstäben und -ringen ausgestattet. Es sind weder Dauermagnete noch Schleifringe vorhanden. Beim Drehen des Rotors mit offenen Klemmen, tritt an den Klemmen keine elektrische Spannung auf.
Damit der Generator elektrische Leistung erzeugen kann, muss ein Magnetfeld im Inneren erzeugt werden. Für die Asynchronmaschine ist es dazu zwingend erforderlich, dass die Statorwicklung an eine dreiphasige Wechselspannungsversorgung angeschlossen ist.
Für Traktionsanwendungen, bei denen kein öffentliches Netz zur Verfügung steht, wird diese 3-Phasen-Versorgung durch einen elektronischen Umrichter mit variabler Spannung und Frequenz bereitgestellt (VVVF). Sobald diese 3-Phasen-Versorgung an die Asynchrongenerator angeschlossen ist, kann dieser elektrische Leistung an den Umrichter liefern. Um es zu vereinfachen: Der Umrichter stellt das Netz zur Verfügung, der Asynchrongenerator zwingt den Strom zum Umrichter zu fließen. Einen Asynchrongenerator kann man daher auch nicht einfach an einen passiven Gleichrichter (B6-Diodenbrücke) anschließen.
Prinzipieller Aufbau
einer ASM
Traktionssysteme Austria GmbH
Brown-Boveri-Str. 1
2351 Wiener Neudorf
Österreich
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