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Motorenkonzepte

Wie wählt man den passenden Traktionsmotor aus?

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.

Grundlegende Kriterien, die für die Auswahl eines Traktionsmotors sprechen

Principle design of an asynchronous machine

Prinzipieller Aufbau einer ASM

Asynchronmaschinen (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.

Principle design of a permanent magent synchronous machine

Prinzipieller Aufbau einer PMSM

Permanentmagnet-Synchronmaschinen (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.

Generatorenkonzepte

Wie wählen Sie den passenden Traktionsgenerator?

Letztendlich hängt es von dem Fahrzeugkonzept und Ihren Anforderungen ab. Erfahren Sie hier mehr über die unterschiedlichen Eigenschaften unserer Permanentmagnet-Synchron- und Asynchrongeneratoren.

PMSM – Das Funktionsprinzip auf den Punkt gebracht

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.

Principle design of a permanent magent synchronous machine

Prinzipieller Aufbau einer PMSM

ASM – Das Funktionsprinzip auf den Punkt gebracht

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.

Principle design of an asynchronous machine

Prinzipieller Aufbau einer ASM

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