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elweb Technik
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Erster Beitrag:
vor 1 Jahr, 11 Monaten
Letzter Beitrag:
vor 1 Jahr, 11 Monaten
Beteiligte Autoren:
Bernd Schlueter, Hotzi-47

Besondere Anforderungen an die Motoren unserer Elektrofahrzeuge

Startbeitrag von Bernd Schlueter am 25.02.2016 05:33

Elektromotoren werden standardmäßig als Drehstrommotoren mit 50 Hz betrieben, die Drehzahl ist dann fest.
Elektroautos fahren in einem extrem großen Geschwindigkeitsbereich, bei niedriger Drehzahl alleine ist ein hohes Drehmoment verlangt, bei hoher Drehzahl reicht ein weit kleineres.

Einige Motoren passen sich an diese Charakteristik an, so Hauptschlussmotoren und Asynchronmotoren bzw.Motoren mit einem regelbaren Rotor bzw.Statorfeld.
Nun sind aber permanentmagneterregte Motoren besonders kompakt und leistungsstark. seit die Neodym-Bor-Eisen-Magnete seit 1982 den Markt aufmischten. Samarium-Kobalt-Magnete wurden schon vorher gefertigt und testweise verwandt. Sie waren anfangs sündhaft teuer, inzwischen git es ein gewisses Monopol Chinas auf Neodym und die eigentlich teureren Samarium-Kobaltmagnete mit ihrer besseren Stabilität werden zum gleichen Preis angeboten.

Permanentmagnete haben den Nachteil, dass man den Magnetismus nicht regeln kann. Das ebenfalls in Motoren erforderliche weichmagnetische Material wird immer voll durchmagnetisiert, auch bei hoher Drehzahl, wenn eine starke Magnetisierung verzichtbar und unerwünscht ist.

Das wäre alles nicht weiter schlimm, wenn sich die Industrie nicht auf die 50Hz-Standardfrequenz eingestellt hätte.Die weichmagnetischen Materialien (Dynamoblech) sind aber nur so weit entwickelt worden, dass sie im normalen 50 bzw.60-Hz-Einsatz nur ca 1% Verluste aufweisen, so das Motorblech M250/35 mit ca 1 Watt pro kg. Nun benötige ich für die Waldmühle ein Blech mit wenig Verlusten, denn das Mühlrad hat eine durch das Gefälle festgelegte Drehzahl, aber das Drehmoment schwankt zwischen Null und dem Maximalwert von 25.000Nm, die Leistung zwischen 0 und 25kW. Die Ummagnetisierungsverluste beim gewünschten permanentmagnetischen Generator hängen aber nur von der Drehzahl ab und sind damit fest. Wir müssen, die Mühle ist kein Standard , die Statorbleche per Laser schneiden, was die magnetischen Eigenschaften verschlechtert, uns wird nur ein Ummagnetisierungsverlust von ca 2,5 Watt pro kg garantiert. Wir benötigen also eigentlich geeignetere , neue Magnetwerkstoffe, die einst für die Post schon entwickelt und hergestellt wurden, damals noch sündhaft teuer.
Verwende ich Standardwerkstoffe, rechne ich bei einem auf 15kW ausgelegten Generator mit einem nicht reduzierbaren Ummagnetisierungsverlust von einigen 100 Watt. Im trockenen Sommer und im sehr kalten Winter entscheiden 100Watt darüber, ob der Computer und die elektrische Zahnbürste noch funktionieren. Gerade dann ist jedes Watt mehr Gold wert.

Unsere Elektroautomotoren leiden, wenn permanentmagnetbetrieben, unter dem gleichen handycap, ebenso benötigen Stromwandler (heute alle hochfrequent) verlustärmere Materialien.
Die Forschung und Entwicklung laufen nach 50Jahren Pause und Vergessen (die meisten damaligen Mitarbeiter leben nicht mehr) erst jetzt sehr langsam wieder an.

Das von GM entwickelte Verfahren zur Hochgeschwindigkeitsaufspritzung auf mit Schallgeschwindigkeit rotierende Walzen, mit dem auch Seltenerdmagnete in einem amorphen Zwischenschritt hergestellt werden, wird auch dabei angewendet.
Trotz des hohen Aufwandes strebt man niedrige Massenpreise an.

Zur Zeit suche ich noch nach einer Quelle für verlustarme Motorbleche.
Wegen der niedrigen Mühlendrehzahl scheiden eigentlich geeignete Reluktanz- und Asynchronmotoren aus, die aber in Elektroautos sehr wohl geeignet sind. Insbesondere Rekuktanzmotoren sind robust und arbeiten mit veränderbarer Magnetisierung und können trotzdem teilweise mit permanentmagnetischen Synchronmotoreigenschaften ausgestattet werden. Josef Brusa kündigt so etwas bereits an, es hört sich jedenfalls so an...

Antworten:

Re: Mehr zu real existierenden Motoren unserer Elektrofahrzeuge

Hallo Bernd,
ok, Standardmotoren werden wohl für 50 Hz gebaut, aber:

Die sogenannten Servomotoren, die in wirklich grossen Stückzahlen in der Werkzeugmaschinenbranche als Haupt- oder Vorschub- oder Hilfsantrieb eingesetzt werden, sind wirklich seit den 80er Jahren permanenerregte Synchronmotoren mit Wechselrichter. Die Drehzahlen sind standardmäßig meist bis 6000 Upm festgelegt. Und sind in vielen anderen Maschinen drin, z.B. Textilmaschinen und so, überall dort, wo geregelte Drehzahlen benötigt werden. Die Motoren werden z.B. bei Siemens in Bad Neustadt hergestellt.

Anfang der 90er Jahre war für E-Autos der von Thien in Österreich hergestellte Asynchronmotor mit rund 25 kW Leistung ein Art Quasi-Standard. 25kW war, so glaube ich, die Spitzenleistung. Gewicht der Maschine etwa 30 kg, Drehzahl bis 10.000 rpm. War damals im Hotzenblitz und ATW Ligier verbaut, es gab 2 Hersteller der Antriebswechselrichter, die rund 10 kg wogen und die 25 kW lieferten. Hotzenblitze fahren in mäßigen Stückzahlen noch immer, einen ATW Ligier hatte ich 1992/93, daher mein eigenes Wissen. Ind übrigens weißt Du sicher, dass z.B. TESLA Asynchronmaschinen ganz ohne Magnet einsetzt. Brusa Antriebe sind meist synchron mit Magneten, die können aber auch asynchron. Denke ich mal.

Eine wassergekühlte Maschine mit 20kW Dauer, Spitzenleistung bis über 50 kW, seinerzeit im Audi Duo verbaut, habe ich noch hier liegen. Wollte ich mal in ein Motorrad einbauen. Die Maschine ist auch synchron und mit Permanentmagneten in der Erregung. Geht elektrisch angetrieben bis über 8000 rpm und von der Festigkeit der Magnethalterungen rein mechanisch bis über 15.000 rpm oder so. So oder ähnlich hatte man mir es im Werk in Bad Neustadt vor vielen Jahren mal gesagt, und ich hoffe, dass ich aus der Erinnerung richtig wiedergebe.

Die Conti-Motoren aus Gifhorn, die in einigen Renaults verbaut wurden, waren ständergespeiste Synchronmotoren. Geniale Idee, denn die Erregung kann fremdgesteuert werden. Man hat dann ähnliches Verhalten wie die fremdgesteuerte Gleichstrommaschine, die z.B. in unseren Franzosen, also 106, Saxo, AX, Berlingo und so sitzt und sich durch hohes Drehmoment unten auszeichnet. Diese alten Gleichstrommaschinen haben aber Bürsten, die verschleissen, außerdem sind sie schwer (im AX so 70 bis 80 kg, im Berlingo über 100 kg). Die Conti Motoren waren an sich gut, aber ZOE Fahrer klagten über Randprobleme wie Undichtigkeiten und Wassereinbruch und so, und dann kaputte Motoren. Soviel ich weiss, sind im neuen Zoe andere Motoren verbaut. Der Motor im TWIZY kommt aus Slovenien, aber das weißt Du ja, denn er war am Mahle-Stand auf der eCarTec 2015 ausgestellt.

Verlustarme Motorenbleche für Motoren mit höherer Drehzahl gibt es vielfach im Handel, ist halt ein Profibereich und ich glaube nicht, dass man als Privatmann da ohne weiteres rankommt. An Musterstückzahlen sind die nicht so interessiert. Selbst die Mengen, die z.B. Schwarz-Motoren oder ABM Greifenberger benötigen, sind noch Mustermengen, auch Oswald baut keine grossen Stückzahlen. Das sind alles Motorenbauer, die für E-Autos und die bekannten Umbauer geliefert haben. Kannst ja bei denen mal nach Motoren anfragen. Drehzahlen bis 6000 oder 10000 sollten die können. Curtiss Steller dazu, dann hast Du einen preiswerten Antrieb. Was suchst Du denn?
Siemens Drehstrommotoren permanenterregt, wie damals 1987 in unser Vespa-Piaggio "Erlanger Solarmobil" eingebaut haben wir (ich oder im Verein in Erlangen) noch einige wenige rumliegen. Elektroniken eher nicht.
Bleche alleine: ich brauche da nicht weit fahren: Waasner in Forchheim hat vor einigen Jahren ein Werk dazugebaut, möglicherweise wegen Blechen für Elektroauto- und Hybridmotoren. Ich glaube, sogar von BMW war in Presseverlautbarungen die Rede. Aber ob Du da sozusagen Einzelstücke bekommst, wage ich zu bezweifeln.

Ansonsten: mit Wasserkraftwerken habe ich mich kaum beschäftigt. Wir haben dazu im Solarmobil Verein unser ältestes Mitglied (an Lebensjahren) Erich Wirth, der eine Ossberger Turbine mit 15 kW betreibt, in Eggloffstein in der Pension Mühle. Er fährt außerdem einen E-Smart und hat eine Park&Charge Stromtankstelle sowie eine E-Bike Vermietung. Der Generator an der Ossberger Turbine wird herkömmlich, also nicht elektronisch geregelt und ist eher langsamlaufend. Ist eine Garantie für lange Gebrauchsdauer.

Gruss, Roland

von Hotzi-47 - am 25.02.2016 10:59

Re: Mehr zu real existierenden Motoren unserer Elektrofahrzeuge

Jetzt weiß ich mal wieder mehr. ja, was nicht Massenprodukt ist, davon erfährt man normalerweise nichts.
Gestern habe ich nicht mit Waasner, sondern Kienle und Spiess telefoniert, wegen der Motorbleche für die Waldmühle. Die stellt ja die gleichen Anforderungen wie die Motoren für unsere Lieblinge: wenig Verluste in einem riesigen Drehzahlbereich.
Die Bleche sollten wir in 10 Segmenten zusammensetzen, von je 60cm Länge. 88 Pole. Beim Blech sollten wir uns mit 0,7mm zufrieden geben, dann ist der Dauerverlust von 500 Watt schon vorprogrammiert. Lasergeschnitten, sonst nicht zu bezahlen. dann 49 Bleche ist der Statorkranz dünn. Macht 490 Bleche, einzeln geschnitten, das Stück zu 3 bis 4 Euro. ich denke, da sollten wir doch zu einer höheren Drehzahl übergehen. Michaels Wunsch: 1 Umdrehung pro Sekunde. Das eigentlich überflüssige Schwungrad von ca 500 kg Masse würde natürlich für die Museumsmühle viel "daher" machen. Das jetzige Getriebe ist relativ laut und steht der Mehlmahleinrichtung im Weg.

Waasner, da frage ich auch noch an. Gewünscht wird also ein Langsamläufer, der bei 1/s 15kW leistet. Ich plädiere für weniger, dafür mehr,wenn die Wasserführung gegen Null geht.
Chinesen hätten uns auf der Hannovermesse ein passendes Winkelgetriebe geschenkt. Damit hätte es auch Mehl und Strom gleichzeitig gegeben. Die haben das schwere Ding dann verschrottet.

von Bernd Schlueter - am 26.02.2016 06:37
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