Die Hybridtechnologie wird von Experten in der Automobilbranche, als die Schlüsseltechnologie der nächsten Jahrzehnte gehandelt. Viele namhafte Automobilhersteller richten ihren Focus von Forschung und Entwicklung auf diese aufstrebende Technologie. Der Vorteil des Hybridfahrzeuges liegt in der Elektrifizierung des Antriebstrangs. Durch intelligente Kombination von Verbrennungs- und Elektromotor können die jeweiligen Vorteile der unterschiedlichen Antriebsarten genutzt werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Betrachtung der Rolle des
Elektromotors im Hybridfahrzeug. Die Anforderungen an den Elektromotor sowie drei unterschiedliche Elektromotorentypen, die in serienreifen Automobilen bzw. Neuentwicklungen zum Einsatz kommen, werden hinsichtlich Aufbau, Wirkungsweise und Wirtschaftlichkeit untersucht. Um einen direkten Vergleich der drei unterschiedlichen Motorentypen hinsichtlich ihrer Performance zu erhalten, wurden diese in einem jeweils baugleichen Go-Kart getestet. Die Auswertung der Testergebnisse ergab, dass die Synchronmaschine mit Permanentmagneten, unter Berücksichtigung des Bewertungskriteriums elektrischer Wirkungsgrad, knapper Testsieger vor der geschalteten Reluktanzmaschine wurde. Der Wirkungsgrad des Elektromotors leistet einen hohen Beitrag zum Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeuges. Das Testergebnis bestätigte die Auswahl der
Synchronmaschine, für den elektrisch effizientesten Elektroantrieb im Hybridfahrzeug.
Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort
2 Einführung in die Hybridtechnologie
2.1 Hybridantriebe
2.2 Rolle der E-Maschine im Hybridantrieb
3 Anforderungen an die E-Maschine
3.1 Wasserdichte E-Maschinen
3.2 Ölbeständige E-Maschinen
4 Betriebsarten der E-Maschine
4.1 Motorbetrieb
4.2 Generatorbetrieb
5 Aufbau und Wirkungsweise von drei unterschiedlichen E-Maschinen
5.1 Asynchronmaschine
5.1.1 Aufbau und Wirkungsweise
5.1.2 Vorteile der Asynchronmaschine
5.2 Geschaltete Reluktanzmaschine
5.2.1 Aufbau und Wirkungsweise
5.2.2 Besonderheiten der Reluktanzmaschine
5.3 Synchronmaschine
5.3.1 Aufbau und Wirkungsweise der Synchronmaschine
5.3.2 Permanentmagnet Synchronmaschine
5.3.3 Vergrabene Magnete
5.3.4 Oberflächenmagnete
5.3.5 Wirkungsgrad der Synchronmaschine
6 Direkter Praxisvergleich der drei unterschiedlichen E-Maschinen
6.1 Aufbau des E-Go-Karts
6.1.1 Batteriesystem
6.1.2 Ultra Caps
6.1.3 Wechselrichter
6.1.4 E-Maschinen
6.2 Testergebnisse
6.3 PSM als Testsieger in Punkto Wirkungsgrad
7 Einsatz der Synchronmaschinen in Fahrzeugmodellen
8 Persönliches Resümee
Zielsetzung und Themenfelder
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, die Rolle des Elektromotors im Hybridfahrzeug zu verdeutlichen und drei gängige Motorentypen hinsichtlich ihres Aufbaus, ihrer Funktionsweise und ihrer wirtschaftlichen Effizienz zu vergleichen, um den am besten geeigneten Typ für moderne Hybrid-Personenkraftwagen zu identifizieren.
- Grundlagen der Hybridtechnologie und Elektrifizierung von Antriebssträngen
- Anforderungen an elektrische Maschinen unter Umweltbedingungen wie Wasser- und Ölbeständigkeit
- Technische Analyse und Vergleich von Asynchron-, Reluktanz- und Permanentmagnet-Synchronmaschinen
- Praxisvergleich mittels experimenteller Tests in E-Go-Karts
- Bewertung des Wirkungsgrades als zentrales Entscheidungskriterium
Auszug aus dem Buch
5.3.3 Vergrabene Magnete
Vergrabenen Magnete werden vor allem dann verwendet, wenn die Applikation hohe Bauteiltemperaturen und Fliehkräften fordert. Dies ist bei Hybrid-KFZ-Applikationen der Fall. Vergrabene Magnete werden deswegen eher bevorzugt. Die Magnete werden dazu in Taschen geklebt und in das Rotorblech eingebracht.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Reduktion der Wirbelstromverluste aufgrund der metallischen Leitfähigkeit der Permanentmagnete.
Der PSM, mit in den Rotor vergrabenen Magneten, besitzt sehr gute Eigenschaften in Bezug auf Leistungs- und Drehmomentdichte. Durch die Integration der Magnete in den Rotor ist der magnetisch wirksame Luftspalt zwischen Rotor und Stator nicht mehr konstant. Dies führt zu einer starken asymmetrischen Induktionsverteilung, dass wiederum neben dem Hauptdrehmoment, ein Reluktanzdrehmoment zur Folge hat.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Vorwort: Einführung in die Relevanz des Elektromotors als Herzstück moderner Hybridfahrzeuge und Definition der Zielgruppe.
2 Einführung in die Hybridtechnologie: Erläuterung der Motivation für Hybridantriebe und deren Bedeutung für die Reduktion von Emissionen und Kraftstoffverbrauch.
3 Anforderungen an die E-Maschine: Analyse technischer Rahmenbedingungen, insbesondere Schutzmaßnahmen gegen Wasser und Öl im Antriebsumfeld.
4 Betriebsarten der E-Maschine: Darstellung der Unterscheidung zwischen Motor- und Generatorbetrieb sowie des rekuperativen Bremsens.
5 Aufbau und Wirkungsweise von drei unterschiedlichen E-Maschinen: Detaillierte technische Untersuchung von Asynchron-, Reluktanz- und Synchronmaschinen.
6 Direkter Praxisvergleich der drei unterschiedlichen E-Maschinen: Experimentelle Evaluierung verschiedener Motorentypen in einem standardisierten E-Go-Kart-Testaufbau.
7 Einsatz der Synchronmaschinen in Fahrzeugmodellen: Übersicht über aktuelle Anwendungen der Synchronmaschine in marktreifen Fahrzeugmodellen.
8 Persönliches Resümee: Reflexion über die Forschungsergebnisse und den zukünftigen Stellenwert verschiedener Antriebskonzepte.
Schlüsselwörter
Hybridfahrzeug, Elektromotor, Synchronmaschine, Asynchronmaschine, Reluktanzmaschine, Hybridantrieb, Wirkungsgrad, E-Go-Kart, Rekuperation, Permanentmagnete, Antriebsstrang, Batterietechnologie, Leistungselektronik, Fahrzeugentwicklung, Drehmoment
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit analysiert die technische Relevanz und Leistungsfähigkeit verschiedener Elektromotorentypen innerhalb von Hybridfahrzeug-Antriebskonzepten.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Schwerpunkte liegen auf der Hybridtechnologie, den spezifischen Anforderungen an E-Maschinen, deren Funktionsprinzipien sowie einem praktischen Leistungsvergleich.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Identifikation des am besten geeigneten Elektromotorentyps für die Integration in moderne Hybrid-Personenkraftwagen basierend auf einem Wirkungsgradvergleich.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Neben einer fundierten Literaturrecherche wird ein praktischer Vergleichstest durchgeführt, bei dem drei verschiedene E-Maschinen in identisch aufgebauten E-Go-Karts gemessen werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Betrachtung von Aufbau und Wirkungsweise verschiedener Maschinen sowie die Auswertung der experimentellen Testergebnisse aus den Go-Kart-Versuchen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Hybridantrieb, Wirkungsgrad, Synchronmaschine, Asynchronmaschine, Reluktanzmaschine und rekuperatives Bremsen.
Warum sind vergrabene Magnete für Hybrid-Anwendungen besonders wichtig?
Vergrabene Magnete bieten eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber den bei Hybrid-Anwendungen auftretenden hohen Bauteiltemperaturen und Fliehkräften.
Welcher Motorentyp konnte im Wirkungsgrad-Test überzeugen?
Die Synchronmaschine mit Permanentmagneten (PSM) ging als knapper Testsieger hinsichtlich des elektrischen Wirkungsgrades hervor.
Welchen Einfluss haben Ultra Caps auf das Beschleunigungsverhalten?
Obwohl Ultra Caps zur kurzzeitigen Pufferung genutzt werden können, zeigt der Test, dass ihr signifikanter Gewichtsnachteil den Nutzen beim Beschleunigen weitgehend aufhebt.
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- Harald Petschnik (Author), 2009, Der Elektromotor im Hybridfahrzeug, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/140493
