maximal möglicher Wirkungsgrad E-Motor

Hallo,

neulich hat jemand im TV beim Thema Elektroantrieb im Auto über Wirkungsgrade von 95% gegenüber 35% beim Verbrenner gesprochen.

Das kommt mir etwas unrealistisch vor.

Weiß jemand, welche Wirkungsgrade derzeit typisch sind? Welche Elektromotoren werden bei E-Cars für gewöhnlich eingesetzt? Sind das einfache Käfigläufer, oder eher Synchronmaschinen mit Permanentmagneten?

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Mark Ise
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95% wären für einen Synchronmotor grosser Bauart z.B. fuer Schiffsantriebe eher schlecht, wo will ich da mit der Verlustwärme hin. Bei Asynchronmotoren kommt es u.a. auf den Schlupf an, aber so bei 95% kann der Wirkungsgrad schon ungefähr liegen.

Je größer der Motor, desto besser.

Das wird sich noch herausstellen. Erstere sind preiswerter, die letzteren hätten einen besseren Gesamtwirkungsgrad besonders im dynamischen Betrieb. Selbst bei der Bahn gibt es dort Philosophien, die ICE's fahren mit Asynchronmotoren, der TGV mit Synchronmotoren.

Jörg Honerla

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Joerg Honerla

Mark Ise schrieb:

Ist es aber nicht.

Allerdings muss man berücksichtigen, von welcher Energieform man als Basis spricht. Üblich ist, dass man die meint, die unmittelbar in den Wandler rein geht. Diese setzt man dann ins Verhältnis zu der aufgewändeten Basisenergie. Dann kriegt man Nutzen/(dafür nötigen Aufwand) = Wirkungsgrad. (In der Wirtschaft heißt diese Formel "Wirtschaftlichkeit".) Beim Verbrenner wär's z.B. Benzin oder Diesel. Beim E-Motor elektrischer Strom. Und eben dieser Strom muss i.d.R. erst mal per Verbrenner produziert werden.

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Christoph Müller

Hmm, wird der Schlupf eigentlich in W=E4rme umgesetzt? Gruss Harald

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Harald Wilhelms

(Subject repariert und entumlautet)

Harald Wilhelms schrieb:

ja: durch den Schlupf wird ein Strom im Laeufer induziert, der fuer das Magnetfeld sorgt, das dann das Drehmoment macht. Da der Laeufer einen endlichen Widerstand hat, entstehen durch diesen Strom auch ohmsche Verluste, die durch Induktion aus dem Stator ersetzt werden muessen. Grob gesagt: je hoeher der Widerstand des Laeufers, desto groesser der Schlupf bei gegebenem Drehmoment (das wiederum durch die Staerke des Magnetfeldes bestimmt wird - also Strom im Laeufer sinkt -> Magnetfeld wird schwaecher -> Schlupf steigt -> induzierte Spannung steigt -> Strom steigt etc.). Bei einem supraleitenden Laeufer haette man keine ohmschen Verluste, durch den "ungebremst" fliessenden Strom ein "eingefrorenes" Magnetfeld, und damit quasi eine Synchronmaschine.

Gruss, Matthias Dingeldein

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Matthias Dingeldein

Matthias Dingeldein schrieb:

Je grösser die Ohmschen Verluste im Läufer, desto grösser aber auch das Anlaufmoment, siehe auch Schleifringmotor. Überleg mal, ob ein Motor mit supraleitendem Läufer überhaupt Moment erzeugt.

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Rolf_Bombach

Zu meiner Berufsschulzeit (1977-81) kam eine fast gleiche Frage auf. Die Antwort des Fachkundelehrers war sinngemäß: "Je nach Größe des Motors von 0,1% bis 99,9%. Wobei die 99,9%ter eher die Ausmaße eines LKW haben und die 0,1er kaum ohne Lupe zu sehen sind."

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Thomas Heier

da im Kontext E-Auto fast immer auch über Rekuperation gesprochen wird, ist die Asynchronmaschine doch raus, oder?

Marcel

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Marcel Müller

Rolf_Bombach schrieb:

fast: selber anlaufen kann die Maschine dann genauso schlecht wie eine Synchronmaschine, aber ueber das Kippmoment kommt man auch mit noch so grossen Widerstaenden im Laeufer nicht rueber ;-)

interessantes Gedankenexperiment :) Ich gehe mal vom einphasigen T-Ersatzschaltbild aus (Statorverluste vernachlaessigt):

o---####---+-- --####----RRRR---+ L1 | L2' R2'/s | | # | | I2' v U1 # Lh | v | | o----------+-- -----------------+ ^Luftspalt

Dann ist die ueber den Luftspalt uebertragene Wirkleistung P = 3*(R2'/s)*(I2')^2 (1) Die Verlustleistung im Laeufer ist Pv=3*(R2')(I2')^2, die mechanische Leistung ist der Rest Pmech=P-Pv. Versucht man, die Maschine anlaufen zu lassen, bekommt man ein Problem, denn die Leistung, die man ueber den Luftspalt bekommt, ist null, und damit auch das Drehmoment (R2'/s = 0 in (1)). Hat man die Maschine anderweitig auf Synchrondrehzahl beschleunigt (z.B. durch zum Anlauf noch nicht aufgebaute Supraleitung, vgl. Anlauf- widerstaende beim Schleifringlaeufer), bekommt man wegen s=0 fuer den Term R2'/s einen Ausdruck der Form 0/0, d.h. man weiss gar nicht mehr so recht, was P denn jetzt hat. Dafuer bekommt man wegen R2'=0 Pv=0 und Pmech=(1-s)*P=P, also keine Laeuferverluste mehr. Ob man jetzt ein Drehmoment auf der Synchrondrehzahl kriegt, haengt davon ab, ob man es geschafft hat, beim Aufbau der Supraleitung ein Magnetfeld im Rotor "einzufrieren", wenn ja hat man eine Synchron- maschine mit quasi permanenterregtem Rotor, wenn nein hat man eine grosse Spule mit einem frei drehbaren Supraleiter in der Mitte, in den man kein Magnetfeld und damit auch kein Drehmoment hineinbekommt.

Das gleiche Ergebnis kriegt man, wenn man sich die n,M-Kurve anguckt fuer verschiedene Laeuferwiderstaende (Kippmoment bleibt ja konstant, nur der Kippschlupf aendert sich), die ist beim Anlauf mit Anlass- widerstaenden am Schleifring so ein Schlittenhuegel, wird mit kleinerem Widerstand dann eine Klippe, uebergehend in eine vorspringende Nase, und bei R=0 hat man ein Sprungbrett (war mir nur auf den ersten Blick nicht sicher, ob man da nicht noch irgendwelche Fiesitaeten beachten muss, die einem bei R=0 einen Strich durch die Rechnung machen und das Moment immer zu null werden lassen).

... oder hab ich was uebersehen?

Gruss, Matthias Dingeldein

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Matthias Dingeldein

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begin quoting, Marcel Müller schrieb:

Oder.

Gruß aus Bremen Ralf

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Ralf Kusmierz

Hallo,

Matthias Dingeldein wrote: [...]

so in der Art. bei einem Typ 1 Supraleiter gibt es grundsätzlich überhaupt kein Feld im supraleitenden Material. Erst mit Typ 2 funktioniert das Einfangen im Material, weil sich das winzige normalleitende Vertizes ausprägen können. Ab einer bestimmten Feldstärke knallt das natürlich, bei Typ 2 üblicherweise später als bei Typ 1. Und da Supraleiter durchaus beträchtliche Enegriemengen im Feld speichern können, die dann mehr oder minder instantan frei werden, kann das durchaus spektakulär werden.

Deshalb würde man einen Supraleiter zu diesem Zweck immer als Luftspule im Sinne einer Erregerwicklung auslegen. Die ist im supraleitenden Zustand aber auch nichts anderes als ein Permanentmagnet. Kurzum, damit ist man wieder bei der Synchronmaschine. Das funktioniert natürlich. Wenn der Stator auch noch Supraleitend ist, kommt da schon ordentlich etwas raus. Nur die Kühlung bei gleichzeitiger mechanischer Stabilität ist i.a. unrentabel.

Das Feld bekommt man in einen Spuraleiter, indem man die Spule an einer Ecke temporär aufheizt und dann entweder ein äußeres Feld erzeugt oder beidseitig des normalleitenden Punktes einen Strom einkoppelt. Da der Rest der Spule nach wie vor supraleitend ist, kann durch die normalleitende Stelle mangels Spannungsabfall auch stationär kein Strom abfließen. Nur die Induktionsspannung liegt dort an. Deshalb muss man den Strom langsam und ziemlich gleichmäßig hochfahren. (Rauschen ist auch Böse.) Bei keramischen Supraleitern ist die Leitfähigkeit im normalleitenden Zustand nicht so der Knackpunkt. Da ist dann das Netzteil begrenzend, dass die ggf. erheblichen Spannungsausschläge der Spule incl. Polaritätswechsel abkönnen muss. Abhilfe schaffen ein paar fette Begrenzerdioden parallel zur supraleitenden Spule. Der Vorteil der Strom-Methode ist, dass man ganz erhebliche Feldstärken einkoppeln kann (mehrere Tesla).

Marcel

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Marcel Müller

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Marcel Müller schrieb:

Das sehe ich nicht so: Solange bei einer hypothetischen Asynchronmaschine mit widerstandsfreiem Käfig Schlupf auftritt, "sieht" eine Käfigmasche eine Induktionsspannung, die sie natürlich mit einem entsprechenden Strom, der das verursachende Magnetfeld verdrängt, wieder verschwinden läßt. Ein Ständerfeld induziert also einen Käfigstrom, und aus der Überlagerung der beiden Felder resultiert ein Drehmoment. Wenn wir uns gerade mal an das Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine erinnern, so ist der scheinbare Läuferwiderstand gleich R/s, was bedeutet, daß im synchronen Lauf s=0 kein Käfigstrom fließt und also kein Drehmoment anliegt. Für andere s ist der Käfigwiderstand endlich, aber es spielt keine Rolle, wenn er verschwindet, die ASM läuft trotzdem. Der Käfig verdrängt im Betrieb ohnehin das Feld aus dem Läufer - bei einem supraleitenden Käfig würde er das eben perfekt tun, so daß kein Eisen erforderlich wäre, denn es wäre "arbeitslos".

Ein supraleitender Ring wird von einem Magnetfeld abgestoßen, obwohl es logischerweise in dessen Inneres nicht eindringen kann. Eben der durch die Annäherung an das Feld induzierte Strom verdrängt das Feld aus dem Ring und sorgt für die abstoßende Kraft, und genauso liefe eine ASM mit supraleitendem Käfig. Wenn die Ständerwicklung auch noch supraleitend wäre, liefe die Maschine elektrisch völlig verlustfrei.

"Im Material", Luftspule?

Stell Dir eine ganz normale Eisendrossel mit oder ohne Luftspalt vor, mit einer zusätzlichen getrennten kurzgeschlossenen Windung aus supraleitendem Material oberhalb der Sprungtemperatur. Nun Gleichstrom durch die (Normal-)Wicklung: -> Magnetfeld im Eisen. Runterkühlen, bis Windung supraleitend, und solange die Temperatur der Windung niedrig bleibt, kriegst Du das Magnetfeld aus dem Eisen nicht mehr heraus: Wenn Du den initialen Strom abstellst, übernimmt die supraleitende Windung den Strom.

Verstehe ich nicht: Diese Induktionsspannung sollte dafür sorgen, daß der Strom auch ein wenig durch den normalleitenden Zweig fließt.

Damit der "Falschrum"-Strom durch den normalleitenden Zweig klein bleibt?

Und hier fehlt dann noch: Und dann den normalleitenden Abschnitt auch runterkühlen und den äußeren Strom wegnehmen. Aber für eine ASM ist es eben nicht erforderlich, dem Läufer eine Vormagnetisierung zu verpassen. Wenn man es dennoch täte, um auch einen synchronen Lauf zu ermöglichen (im Asynchronbetrieb induziert es dann aber Rotorfrequenzspannungen im Ständer, was das E-Werk übelnimmt), braucht man aber auch Eisen im Rotor.

Gruß aus Bremen Ralf

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Ralf Kusmierz

"Marcel Müller" schrieb im Newsbeitrag news:498fda0a$0$31880$ snipped-for-privacy@newsspool3.arcor-online.net...

wenn du damit sagen willst dass Asynchronmaschinen sich nicht als Generator eignen würden liegst du falsch. Auch Windgeneratoren können damit arbeiten, siehe auch --> läufergespeiste Asynchronmaschine

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PS. Darüber habe ich meine Ing.Arbeit geschrieben ;))

PPS. Ich habe keine Ahnung welche Technik in E-Autos verwendet wird :(

Michael

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Michael Marx

Dort wird je nach Leistungsanforderung und Kosten alles mögliche eingesetzt:

- Gleichstrommotoren mit und ohne Permanentmagneten

- Drehstrommotoren mit und ohne Permanentmagneten

Die Wirkungsgrade bei den besten Motoren liegen bei etwa 95 %.

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Emil Naepflein

Verluste sind praktisch immer in Wärme flüchtig...

-ras

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Ralph A. Schmid, dk5ras

Nun, ich hatte =FCberlegt, das der "Verlust" vielleicht in Form von Blindleistung auftritt. Ich muss aber zugeben, das ich mich in Elktromaschinentechnik nicht besonders gut auskenne. Gruss Harald

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Harald Wilhelms

stimmt, Du hast Recht, es gibt kein Feld im Inneren, weil sich ein entsprechender, entgegengesetzter Oberflächenstrom ausprägt. Aber bezüglich des Drehmoments habe ich dennoch bedenken. Es setzt ja voraus, dass das Feld von Rotor und Stator leicht verdreht sind. Damit hätte man notwendigerweise ein von Null verschiedenes Restfeld.

Müsste die Maschine unter diesen Umständen (Supraleiter) nicht notwendigerweise synchron laufen? Irgendwie weiß ich im Moment nicht so recht, wohin mit der Verlustleistung aus einem Schlupf. Irgendwie klemmen meine Gedanken noch.

Genaugenommen nicht ganz. Das mit der verlustfreien Supraleitung funktioniert nur für den DC-Fall. Aber zugegeben, bei den erwartbaren Frequenzen wäre die Annahme gut.

Nicht Luft, es muss nur paramagnetisch (oder von mir aus diamagnetisch) sein. Aber letztlich ist das egal. Das supraleitende Material muss mechanisch angekoppelt werden. Und damit kommt die Konkurrenzsituation zwischen Wärmeleitung, Stabilität und Sprödigkeit. Und bei realistischen Temperaturen ist das gar nicht so ohne. Die gern beworbene Sprungtempertatur von HT-Supraleitern gilt nur im unbelasteten Fall. Wenn man ordentlich Bumms haben will, braucht man eine deutlich kältere Umgebung.

Ja, das ist der alternative Weg zur Magnetisierung. Mit einer Windung wird es allerdings nichts, da würde einem die kritische Stromdichte um die Ohren fliegen, zumal ja sowieso nur die Oberfläche beiträgt. Es muss also schon etwas breiteres sein.

'Der' Strom kann man nicht sagen. Es ist halt die Induktionsspannung durch magneitische Flussänderung geteilt durch den Übergangswiderstand an der Heizstelle. Da man die in den Kryostat eingebrachte Leistung üblicherweise klein halten will, ist dieser Bereich halt eher klein.

Der Rauschstrom muss im Prinzip komplett durch den normalleitenden Zweig, da die üblicherweise windungsreiche Spule den Stromschwankungen nicht beliebig schnell folgen kann. Jedenfalls nicht ohne ordentlichen Spannungshub, den die nur für extrem kleine Ausgangsspannungen ausgelegten Netzteile nicht so abkönnen. Wenn der normalleitende Zweig jetzt sehr hochohmig ist, hat das Netzteil kaum eine Möglichkeit seine Rauschleistung loszuwerden. Ein dicker Kondensator tut da Not. Der bildet mit der Spule aber einen Resonator mit durchaus höherer Güte, sofern sich keine magnetisch dissipativen Materialien im Feld der Spule befinden. Das alles macht die Regelung des Netzteils nicht ganz einfach.

Ja, klar. So endet die Prozedur. Dann hat man einen extremst konstanten Permanentmagnet. Allerdings nur bei Typ 1 Supraleitern. Denn bei Typ 2 können die Vertizes noch wandern, was das Feld verändert. Alle HT-Supraleiter sind Typ 2.

Jetzt muss man das Teil nur noch kalt halten, da sonst sämtliche Feldenergie auf einen Schlag frei wird - und zwar in der Spule.

Wieso Eisen im Rotor?

Marcel

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Marcel Müller

Das gilt fast überall, daß sich Verluste in Wärme zeigen :)

-ras

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Ralph A. Schmid, dk5ras

Hallo, Harald,

Du meintest am 10.02.09:

Verluste sind immer Wirkleistung.

Viele Gruesse! Helmut

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Helmut Hullen

X-No-Archive: Yes

begin quoting, Marcel Müller schrieb:

Die Verlustleitung ist nur ein "Dreckeffekt". Für das Drehmoment ist nur der Läuferstrom I_L verantwortlich; bei endlichen Läuferwiderständen R_L verbrät der nebenbei auch eine Verlustleistung I_L^2*R_L/s, aber wenn R_L->0 geht, ändert sich an der Funktion der ASM gar nichts (mal abgesehen davon, daß wegen der Reihenschaltung von R_L/s und j*omega_L*L_L sich die Phasenlage des Läuferstroms geringfügig ändert, aber da R_L/L_L "Im Material", Luftspule?

Es kann sehr wohl auch ferromagnetisch sein (also: natürlich nicht das supraleitende Material, sondern der "Kern" bzw. das Blechpaket).

  • MÖÖÖP! *

Beliebter Anfängerfehler: Die magnetischen Kräfte in einer elektrischen Maschine wirken _nicht_ auf die Leiter, sondern auf das Eisen. Für µ = oo ist der Wicklungsraum feldfrei - wie sollen da Kräfte auf stromdurchflossene Leiter wirken, für "IxB" fehlt da dann "B". Die mechanische Befestigung der Wicklung ist gewissermaßen dazu da, daß die Leiter nicht runterfallen bzw. im Wicklungsraum herumklötern - natürlich muß sie auch noch die Stromkräfte zwischen den Leitern aufnehmen, aber da die Wicklungstränge (meist pro Nut sowieso bloß ein Ober- und ein Unterstab) von parallelen Strömen durchflossen werden, ziehen die sich an.

Klar, Maschinen rappeln und rumpeln, mit gläsernen Leitern kommt man da nicht weit, vor allem, wenn die Vergußmasse wegen der Wärmeleitung möglichst auch noch aus Vakuum bestehen sollte.

Na, um Flußdichte in den Luftspalt zu kriegen: Der Strom im Supraleiter macht ja erst einmal nur Gesamt-Durchflutung, aber von den vorhandenen A/m möchte man natürlich möglichst viel in die paar mm unter den Ständerpolschuhen kriegen und sie nicht nutzlos als Streufeld verbraten, also wird der restliche Feldlinienweg mit µ=oo kurzgeschlossen.

Gruß aus Bremen Ralf

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Ralf Kusmierz

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