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Trends und Herausforderungenbei zukünftigen E-Maschinenbei zukünftigen E-Maschinen
und Transformatoren
ZVEI, 26.10.2011, Fulda, ,
Dieter GerlingUniversität der Bundeswehr München
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Übersicht
E Maschinen und Transformatoren
– Treibende Kräfte / Herausforderungen
– Wirkungsgrad, Kühlung
– Materialien
– Wicklungsdesign
– Zusammenfassung– Zusammenfassung
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Treibende Kräfte für neue Entwicklungen
E Maschinen und Transformatoren
– Automobil-Industrie• Kosten• Kosten• Integration (Volumen, Gewicht, Massenfertigung), Wirkungsgrad
– Windkraft-Industrie• Kosten• Leistung Wirkungsgrad• Leistung, Wirkungsgrad
– Gesetzliche Rahmenbedingungen• Wirkungsgrad• Recyclingfähigkeit
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Zukünftige Herausforderungen
E Maschinen und Transformatoren
– Kosten
– Wirkungsgrad (auf System- und Komponentenebene)
– Wärmeabfuhr, Kühlung
– Materialien (Verfügbarkeit, Verbesserung)
– Wicklungsdesign– Wicklungsdesign
– Weitere Eigenschaften (z.B. EMV, Akustik, …)
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g ( )
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Drehmomentberechnung (z.B. PM-Maschinen mit Oberflächenmagneten)
E Maschinen und Transformatoren
2PMT r A B cos
Flussdichte: Erhöhung durch verbesserte(PM d Ei ) M i li(PM- und Eisen-) Materialien
Strombelag: Erhöhung durch Verbesserung beiWirkungsgrad und Wärmeabfuhr
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Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Wirkungsgrad: Drehzahlvariable Antriebe für höheren S t Wi k d
E Maschinen und Transformatoren
System-Wirkungsgrad
T i h B i i l P Lüft T kti– Typische Beispiele: Pumpen, Lüfter, Traktion
– Drehzahlregelung statt Maximale Drehzahl plus Drosselventil“Drehzahlregelung statt „Maximale Drehzahl plus Drosselventil
– Optimierung auf Teillast-Betrieb
– Zu betrachtende Komponenten: Elektrische Maschine Leistungselektronik und RegelungElektrische Maschine, Leistungselektronik und Regelung
– Optimierung als System für spezifische Applikationen
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p g y p pp
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Wirkungsgrad: Komponente Elektrische Maschine (A f d )
E Maschinen und Transformatoren
(Anforderungen)Wirkungsgrad-klassen nachklassen nachIEC 60034-30
cien
cy(%
)ef
fi
Quelle:
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nominal power (kW) http://www.motorchallenge.ch/docs/files
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Wirkungsgrad: Komponente Elektrische Maschine ( ö li h Lö )
E Maschinen und Transformatoren
(mögliche Lösungen)
Dü d b Ei bl h R d kti d– Dünnere und bessere Eisenbleche zur Reduktion der Wirbelstromverluste aber: Materialkosten, Produktionskosten
– Asynchronmaschine mit Kupfer-Käfig aber: Verfügbarkeit und Kosten von Kupfer; Kosten von Kupfer Gußaber: Verfügbarkeit und Kosten von Kupfer; Kosten von Kupfer-Guß
– Permanentmagnetmaschinegaber: Verfügbarkeit und Kosten von NdFeB-Magneten
Wi kl d i (k t i t S l t ilt Wi kl )
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– Wicklungsdesign (konzentrierte Spulen vs. verteilte Wicklung)
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Kühlung
E Maschinen und Transformatoren
– Materialien (Isolation, Vergussmasse)
– Motordesign (Beispiel: 12/10 PM-Maschine)• Reduzierte Verluste (reduzierte Sub-Harmonische der MMF-Verteilung)
• Verbesserte Kühlungsmöglichkeit (Kühlkanäle direkt an der Wicklung)
Conventional StatorNew Stator with flux barriers
B (
p.u.
)
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Quelle: FEAAM GmbH
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Kühlung
E Maschinen und Transformatoren
– exaktere Temperaturberechnung (Prinzip bei verteilten Verlusten)• Einfaches Beispiel
exakte analytische Berechnung / FEMkonventionelles Ersatzschaltbild
• Verbesserung: Einfügen von Kompensationselementen
konventionelles Ersatzschaltbildverbessertes Ersatzschaltbild
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Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Kühlung
E Maschinen und Transformatoren
– exaktere Temperaturberechnung (elektrische Maschine)
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Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: Kupfer (Länder mit Kupfer-Abbau)
E Maschinen und Transformatoren
Quelle:
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
www.welt-auf-einen-blick.de/bodenschaetze
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: Kupfer (Kostenentwicklung)
E Maschinen und Transformatoren
US$ pro Tonnevs.Z it (2003 2011)Zeit (2003-2011)
Faktor 5
Quelle:
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
www.finanzen.net/rohstoffe/
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: Aluminium (Kostenentwicklung)
E Maschinen und Transformatoren
US$ pro Tonnevs.Zeit (2003 2011)Zeit (2003-2011)
Faktor 2
Quelle:
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
www.finanzen.net/rohstoffe/
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: Aluminium vs. Kupfer
E Maschinen und Transformatoren
– Geringere absolute Kosten, geringerer Kostenanstieg
– Praktisch keine Ressourcenbegrenzung für Aluminium
– Größeres Volumen, aber geringeres Gewicht der elektrischen Maschine
– Geringere Leitfähigkeit geringerer Wirkungsgrad(Kompensation durch andere Maßnahmen ist notwendig)(Kompensation durch andere Maßnahmen ist notwendig)
– Substitution von Kupfer durch Aluminium ist möglich
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Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: NdFeB-Magnete (Verfügbarkeit)
E Maschinen und Transformatoren
Quelle:www.produktion.de/maerkte
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
www.ftd.de/unternehmen/industrie
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: NdFeB-Magnete (Verfügbarkeit)
E Maschinen und Transformatoren
Quelle:
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
Angerer et.al., Fraunhofer ISI
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: NdFeB-Magnete (Verfügbarkeit)
E Maschinen und Transformatoren
Quelle:
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
www.ftd.de/wissen/
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: NdFeB-Magnete (Verfügbarkeit)
E Maschinen und Transformatoren
Aktuell Produktion:China (97.3%)Russland (1.5%)I di ( %)Indien (0.9%)Brasilien (0.3%)
Zukünftig (zusätzlich):Zukünftig (zusätzlich):Australien
(Mount Weld: Abbau beginnt 2011)Grönland
(Südwesten: 20% der weltweiten(Südwesten: 20% der weltweitenRessourcen werden vermutet)
USA(Mountain Pass: Produktiongestoppt wegen ökologischer
Quelle:
g pp g gProbleme; Neustart in 2013 ?)
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www.ftd.de/wissen/
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: NdFeB-Magnete (Nd Markt)
E Maschinen und Transformatoren
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Materialien: NdFeB Magnete (mögliche Lösungen)
Quelle:Angerer et.al., Fraunhofer ISI
t t
Materialien: NdFeB-Magnete (mögliche Lösungen)
Quelle:Angerer et al Fraunhofer ISI
Alternative: Ferrit-Magnete (nächste Folie) oderAsynchronmaschine
Angerer et.al., Fraunhofer ISI
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
Asynchronmaschine
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: Magnete (Überblick)
E Maschinen und Transformatoren
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Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: NdFeB-Magnete (Nd Kostenentwicklung)
E Maschinen und Transformatoren
Preis im April 2001:2011
p15,50 $/kg
Faktor 2,25 in 6 Monaten
Faktor 29 in 10 JahrenFaktor 2,25
Quelle:
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
www.metal-pages.com
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Materialien: NdFeB-Magnete (Dy Kostenentwicklung)
E Maschinen und Transformatoren
2011Preis im April 2001:p70,00 $/kg
Faktor 5,3 in 6 Monaten
Faktor 45 in 10 JahrenFaktor 5,3
Quelle:
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
www.metal-pages.com
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Wicklungsdesign
E Maschinen und Transformatoren
Verteilte Wicklung:- sinusförmige MMF Verteilung
große Anzahl von Nuten pro Pol
Wicklung aus konzentrierten Spulen:- kompaktes Design
kürzere und weniger komplexe Wickelköpfe- große Anzahl von Nuten pro Pol- große Wickelköpfe; hohe parasitäre Endeffekte- hohe Kupferverluste
hohe Produktionskosten
- kürzere und weniger komplexe Wickelköpfe- geringe Kupferverluste- geringe Produktionskosten
große Anzahl Harmonischer in MMF Verteilung
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- hohe Produktionskosten - große Anzahl Harmonischer in MMF Verteilung
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Wicklungsdesign
E Maschinen und TransformatorenQuelle: FEAAM GmbH
8-Pole / 48-Nuten PM MaschineVerteilte Wicklung mit q = 2
10-Pole / 24-Nuten PM MaschineNeue Wicklung mit q = 0.8
10-Pole/ 12-Nuten PM MaschineKonzentrierte Wicklung mit q = 0.4
mon
ics
mon
ics
mon
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Radialkräfte Geräusche
Verluste
MM
F H
arm
MM
F H
arm
MM
F H
arm
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Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Wicklungsdesign
E Maschinen und Transformatoren
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Die Vergleiche sind für gleiche Randbedingungen ausgeführt: Volumen, UDC, Tmax, nmax, etc.
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Quelle: FEAAM GmbH
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Wicklungsdesign (Traktionsantrieb für CADC-Fahrzyklus)
E Maschinen und Transformatoren
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Wicklungsdesign (kumulierte Verluste in der el. Maschine)
E Maschinen und Transformatoren
6
7x 105 Energy losses of electric machine
standard motor16%
4
5
y [J
]-16%
2
3Ene
rgy
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000
1
DA-PM1DA-PM2new motor design
Im FTP72-Zyklus sogar -20% (Verlustreduktion)
Time [s]
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
y g ( )Quelle: FEAAM GmbH
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Ökonomische Auswirkungen
E Maschinen und Transformatoren
– Randbedingungen: gleiches Material, deshalb gleiche Materialkosten
i M t k t– geringere Motorkosten wegen• geringere Nutzahl, anderes Wicklungsdesign• keine Schrägung notwendigg g g• geschätzt: -10%
– geringere Leistungselektronikkosten wegeni St i• geringeres Stromniveau
• geringere Verluste• geschätzt: -10%
– geringere Batteriekosten wegen• geringere Verluste in Motor und Leistungselektronik
geschätzt: 1 5%
EAAEAA Elektrische Antriebstechnik und Aktorik - Electrical Drives and ActuatorsUniv.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling
• geschätzt: -1.5% Quelle: FEAAM GmbH
Trends und Herausforderungen bei zukünftigenE-Maschinen und Transformatoren
Zusammenfassung
E Maschinen und Transformatoren
– Auswahl der Maschinentopologie hängt von mehreren Aspekten ab (Applikation Wirkungsgrad verwendete Materialien )(Applikation, Wirkungsgrad, verwendete Materialien, …)
– Wirkungsgrad (auf System- und Komponentenebene), Kühlungg g ( y p ), g
– Materialien
– Wicklungsdesign
– Kosten
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