Extracto
Inhaltsverzeichnis
Abstract
Danksagung
Vorwort
Abkurzungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Aktuelle Problemstellungen und Herausforderungen im Markt
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise
2 Grundlagen
2.1 Konventionelle Drehstrommaschinen (Drehfeldmaschinen)
2.1.1 Allgemein
2.1.1.1 Aufbau
2.1.1.2 Grundlegende Gleichungen
2.1.1.3 Funktionsweise
2.1.2 Die Asynchronmaschine
2.1.2.1 Aufbau
2.1.2.2 Grundlegendes Betriebsverhalten, Kennlinien und Zusammenhange
2.1.2.3 Steuerung
2.2 Supraleitung
2.2.1 Allgemein
2.2.2 Hochtemperatur-Supraleitung
3 Vergleichende Betrachtung der konventionellen elektrischen Maschinen mit den HTS-Maschinen
3.1 Vergleich des konventionellen Maschinendesigns gegenuber dem mit Hochtemperatur-Supraleitern
3.2 Vorteile und Nachteile des Hochtemperatur-Supraleitungsmotors (HTS) gegenuber dem konventionellen Asynchronmotor (ASM)
3.3 Der Kundennutzen abgeleitet aus den Vorteilen und Nachteilen des Hochtemperatur-Supraleitungsmotors
4 Anwendungen von HTS-Maschinen
5 Vermarktungsstrategie einer grundlegenden Produktinnovation aus Herstellersicht
5.1 Grundsatzvoruberlegung
5.2 Voraussetzungen
5.2.1 Antriebssysteme und -technologien in Schiffen
5.2.1.1 Allgemeine Anforderungen
5.2.1.2 Typologisierung
5.2.2 Der globale Schiffsmarkt
5.2.2.1 Uberblick
5.2.2.2 Besonderheiten
5.2.3 Charakteristiken des organisationalen Beschaffungsprozesses von Investitionsgutern
5.2.4 Konstitutive Merkmale der Produktinnovation
5.3 Die Entwicklung der Vertriebsstrategie (B2B)
5.3.1 Definition des Strategiebegriffs
5.3.2 Grundlegende Anforderungen an eine professionelle Vertriebsstrategie
5.3.3 Problemstellung der Drehstrommaschinen AG und Festlegung der Rahmenbedingungen
5.3.4 Grundsatzentscheidungen sowie Handlungsempfehlungen im Rahmen der Strategieentwicklung und Positionierung
5.3.4.1 Definition, Abgrenzung und Segmentierung des Marktes
5.3.4.2 Identifikation des Kunden
5.3.4.3 Voice of the Customer (VoC)
5.3.4.4 Wahl des Geschaftstypus
5.3.4.5 Art der Leistungserstellung
5.3.4.6 Markteintritt und Vertriebssystem
5.3.4.7 Zentralisierung vs. Dezentralisierung & Regionalisierung
5.3.4.8 Markteintrittsbarrieren und Hurden fur die Vermarktung
5.3.4.9 Vermarktungsstrategie, Differenzierung und Wettbewerbsvorteile
5.3.4.10 Die VoC-spezifische Nutzenargumentation
6 Schlussteil
6.1 Fazit
6.2 Kritische Diskussion
6.3 Ausblick
Literaturverzeichnis
Anhang
Abkurzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Leistungsschild eines 1LA9 IE2 Asynchronmotors (Quelle: Siemens AG (2009b), S.37)
Abbildung 2: Sternschaltung zur Erzeugung eines Drehfeldes (Quelle: Fuest & Doring (2008), S.78)
Abbildung 3: Schnittdarstellung einer Asynchronmaschine mit Kafiglaufer (Quelle: Blessing (2012))
Abbildung 4: Aufbau eines Asynchronmotors (Quelle: Siemens AG (2009b), S.15)
Abbildung 5: Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie einer Asynchronmaschine (Quelle: Fuest & Doring (2008), S.92)
Abbildung 6: Einfluss der Lauferstabform auf den Drehmomentverlauf in Abhangigkeit von der Drehzahl (Quelle: Siemens AG (2009b), S.36)
Abbildung 7: Ersatzschaltbild und Leistungsbilanz einer Asynchronmaschine (Quelle: Merz & Lipphardt (2008), S.278)
Abbildung 8: Heyland-Kreis der Asynchronmaschine (Quelle: Siemens AG (2009b), S.33)
Abbildung 9: Verlauf des Widerstands [Q] in Abhangigkeit von der Temperatur [K] bei Quecksilber (Quelle: van Delft & Kes (2010), S.41)
Abbildung 10: Verdrangung der Feldlinien des auGeren magnetischen Feldes aus dem Inneren eines Supraleiters (Quelle: Mourachkine (2004), S.18)
Abbildung 11: Levitation eines Permanentmagneten uber einem abgekuhlten Supraleiter (Quelle: Pereg-Barnea (2012))
Abbildung 12: Phasendiagramme eines Supraleiters erster Art (links) und eines Supraleiters zweiter Art (rechts) (Quelle: Mourachkine (2004), S.34)
Abbildung 13: Moglicher Bereich der Supraleitung (grau) in Abhangigkeit der kritischen GroGen (Quelle: Hering, Martin, & Stohrer (2007), S.836)
Abbildung 14: Die charakteristische Perowskit-Struktur (Quelle: Buckel & Kleiner (2004), S.97)
Abbildung 15: Entwicklung der Supraleiter seit 1911 (Quelle: Coalition for the Commercial Application of Superconductors (2013))
Abbildung 16: Vergleich eines 4 MVA HTS-Generators (blau) inklusive Kryokuhler (Mitte) mit einem konventionellen Generator (rot) sowie des Standardumrichters SM 150 (rechts) (Quelle: Siemens AG (2011a), S.16 und Siemens AG (2013b))
Abbildung 17: Vergleich des Widerstandsverlaufs in Abhangigkeit der Temperatur fur Kupfer und einem Hochtemperatur-Supraleiter (Quelle: Siemens AG (2011a), S.4)
Abbildung 18: Vergleich des Leitungsquerschnitts bei 100 A fur Kupfer und einem Hochtemperatur-Supraleiter (Quelle: Siemens AG (2011a), S.5)
Abbildung 19: Vergleich des konventionellen (links) mit dem HTS- Maschinendesign (rechts) (Quelle: Siemens AG (2011a), S.10f.)
Abbildung 20: Vergleich der Verluste und des Wirkungsgrades einer konventionellen mit einer HTS-Maschine (Quelle: Siemens AG (2011b), S.8)
Abbildung 21: Volumen- und Gewichtsvergleich eines konventionellen Motors mit einem HTS-Motor (Quelle: Siemens AG (2011a), S.17)
Abbildung 22: GroGenvergleich eines konventionellen mit einem HTS- Energieerzeugungssystem (Quelle: Siemens AG (2006), S.60)
Abbildung 23: Typische Einsatzgebiete eines konventionellen Systems im Schiffbau (Quelle: Siemens AG (2011d), S.373)
Abbildung 24: Entwicklung des Welthandels zur See 1970 - 2010 (Quelle: UNCTAD (2011), S.7. Eigene Darstellung)
Abbildung 25: Weltmarktanteile der fertiggestellten Schiffe nach Typ 2010 (Quelle: CESA (2011), S.6. Eigene Darstellung)
Abbildung 26: Weltmarktanteile der fertiggestellten Schiffe nach Landern 2010 (Quelle: UNCTAD (2011), S.147. Eigene Darstellung)
Abbildung 27: Anteil Europas am weltweiten Auftragsbestand nach Schiffstypen 2010 (Quelle: CESA (2011), S.5ff. Eigene Darstellung)
Abbildung 28: Exemplarischer Ablauf der Auftragsvergabe fur einen Schiffsneubau (Quelle: Eigene Darstellung)
Abbildung 29: Relevanz technologischer Argumente fur die unterschiedlichen Stakeholder (Quelle: Eigene Darstellung)
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Vorteile und Nachteile der HTS-Maschine gegenuber der ASM
(Quelle: Eigene Darstellung)
Tabelle 2: Vorteile und Nachteile des direkten und des indirekten Vertriebs
(Quelle: Homburg, Schafer, & Schneider (2012), S.51)
Tabelle 3: Vorteile und Nachteile der Pionierstrategie (Quelle: Homburg (2012), S.586 und Backhaus & Schneider (2007), S.144ff.)
Abstract
Die Arbeit befasst sich mit einer grundlegenden Produktinnovation im Bereich der elektrischen Maschinen. Diese bietet durch den richtungsweisenden Einsatz von HTS-Technologie einen wesentlichen Effizienzsprung und damit einen ent- scheidenden Vorteil im globalen Wettbewerb.
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Markteintritts- und Vertriebsstrategie aus Sicht des Herstellers an einem konkreten Beispiel des Schiffsmarktes. Die Relevanz dieser Innovation liegt im stetigen Wachstum dieses Logistikmarktes begrundet, der fur mehr als 90 % des Welthandels essentiell ist. Folglich be- steht betrachtliches Potenzial zur Losung globaler Probleme. Die Einfuhrung im Schiffsmarkt ist eine Herausforderung, da Hurden wie besonders hohe Anforde- rungen an die Maschinen, spezielle Gegebenheiten und eine konservative Markthaltung, bestehen.
Die Analyse behandelt sukzessive technisch-physikalische Grundlagen, Unter- schiede sowie Vor-und Nachteile der konventionellen und der HTS-Maschinen. Danach werden technisch und okonomisch sinnvolle Anwendungsmoglichkeiten aufgezeigt. Die Voraussetzungen und Rahmenbedingungen zur Strategieent- wicklung werden in Kapitel 5 erlautert. Nachfolgend wird diese an einem praxis- nahen Beispiel entwickelt und gezeigt, welche Grundsatzentscheidungen wie zu treffen sind und wie mogliche Handlungsempfehlungen aussehen konnen.
Der Losungsvorschlag besteht in der Kombination von einer Pionier- mit einer Nischenstrategie im Marktsegment der Energieerzeugungssysteme im Mega- wattbereich von neu gebauten Chemikalientankern in Sudkorea. Die Differen- zierung erfolgt u.a. uber die Effizienz der HTS-Maschinen und der resultieren- den Betriebskostenminimierung als Wettbewerbsvorteil fur Reeder. Der Direkt- vertrieb erfolgt regional organisiert zunachst an den Systemintegrator. Die Posi- tionierung als Gesamtlosungsanbieter wird durch Vorwartsintegration desselben erreicht. Essentiell fur den Erfolg sind ein adaquat kommuniziertes kundenspe- zifisches Nutzenversprechen gemaG dem Life Cycle Costing (LCC) und die Be- einflussung anderer relevanter Parteien.
Die zukunftige Verbreitung in Onshore-Applikationen hangt u.a. vom Erfolg im Schiffsmarkt und dem MaGstab der industriellen Fertigung ab. Nebstdem sind weitere Effizienzsteigerungen durch den Einsatz von Hochtemperatur- Supraleitern der zweiten Generation zu erwarten.
Danksagung
Ich mochte mich an dieser Stelle bei den Personen bedanken, die mich bei der Erstellung dieser Arbeit sehr unterstutzt haben.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Frank Richter und Herrn Dipl.-Phys. Roger Knecktys danke ich herzlich fur die auGerst interessante und herausfordernde Themenstellung, die Ermoglichung dieser Arbeit, der ausgezeichneten und intensiven Betreuung sowie den Anregungen und kritischen Kommentaren. AuGerdem mochte ich mich einerseits fur die Ubernahme der Gutachterfunktion und andererseits fur die Freiheit und Flexibilitat bei der Erstellung der Arbeit bedanken.
Ein sehr groGer Dank geht an Herrn Prof. Dr. rer. nat. habil. Joachim Albrecht fur die Beantwortung meiner Fragen zur Supraleitung und Hochtemperatursup- raleitung sowie der vorangegangenen Ermutigung, ein Thema zu finden, welches neben betriebswirtschaftlichen auch technisch-physikalische Inhalte mitei- nander verbindet.
Ferner mochte ich den Firmen MAN, General Electric, Rolls-Royce, Siemens, Volvo Penta, Wartsila und ZF Friedrichshafen sowie allen Beteiligten danken. Ohne die Kooperation, den spannenden, hilfreichen und horizonterweiternden Diskussionen und der Bereitstellung von wertvollen Informationen, ware das Gelingen dieser Arbeit in dieser Form nicht moglich gewesen.
AuGerdem mochte ich meiner Familie und meinen Freunden groGen Dank aus- sprechen fur das entgegengebrachte Verstandnis, die Zeit und der vorbehaltlo- sen Unterstutzung.
SchlieGlich und keineswegs zuletzt gebuhrt der herzlichste Dank meiner Freun- din. Sie hat nicht nur unermudlich und akribisch Kapitel fur Kapitel Korrektur gelesen, sondern wusste mich in den richtigen Momenten zu motivieren, war immer fur mich da und hat stets an mich geglaubt.
Vorwort
Mehr als 140 Jahre sind vergangen, seitdem Werner von Siemens 1866 den revolutionaren Grundstein legte, der heute in industriellen wie auch privaten Anwendungen weltweit von immenser Bedeutung ist. Der Elektromotor ist ein wichtiger Bestandteil unseres taglichen Lebens geworden, doch diese konven- tionelle Technik befindet sich seit fast 150 Jahren im Einsatz. Moderne Anwendungen, globale Trends und steigende Rohstoffkosten haben dafur gesorgt, dass der Fokus heute mehr denn je auf Effizienz und Ressourcenschonung liegt.
Auf die Entdeckung der Supraleitung 1911 durch Heike Kamerlingh Onnes, die widerstandslose und dam it verlustfreie Energieubertragung versprach, folgten 100 Jahre intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit. In dieser Zeit mach- ten sich zahlreiche Forscher auf diesem Gebiet verdient und wurden dafur, ne- ben dem Entdecker selbst, mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. 1986 markierte dabei einen weiteren Meilenstein, indem J. G. Bednorz und K. A. Muller eine Entdeckung machten, die ebenfalls mit dem Nobelpreis honoriert wurde. Ihr Experiment zeigte, dass die Sprungtemperatur, ab der die Supraleitung auftritt, bei einigen Materialien signifikant hoher sein konnte, als bisher angenommen. Diese Beobachtung wurde aufgrund dessen als Hochtemperatur-Supraleitung bezeichnet. Diese steht damit im Gegensatz zur konventionellen Supraleitung, die als Tieftemperaturphanomen gilt.
Nach Jahrzehnten intensiver Forschungs- und Entwicklungstatigkeiten ist es nunmehr wie damals, 1866. Durch den Einsatz von revolutionarer Technologie steht der konventionellen Antriebstechnik ein signifikanter Effizienzsprung be- vor. Nach zwolfjahriger Entwicklungszeit wurde die Hochtemperatur- Supraleitung mit konventioneller Maschinentechnologie kombiniert und so als Schlusseltechnologie fur moderne industrielle Anwendungen demonstriert. Im Jahr 2011, punktlich zum 100-jahrigen Bestehen der Supraleitung, konnte der erste Prototyp einer Maschine auf Basis dieser Hochtechnologie in den Feldtest ubergehen.
1 Einleitung
Die Arbeit uber das Thema „Anwendungen und Vermarktung von Hochtempera- tur-Supraleitungsmaschinen" behandelt die Grundlagen, industrielle Anwen- dungsmoglichkeiten sowie die Vermarktungsstrategie einer grundlegenden Produktinnovation, die hinsichtlich Effizienz, BaugroGe, Gewicht, Zuverlassig- keit und Nachhaltigkeit eine besonders aussichtsreiche und zeitgemaGe Ma- schinengeneration darstellt.
1.1 Aktuelle Problemstellungen und Herausforderungen im Markt
Das Marktgeschehen auf der ganzen Welt wird gepragt durch das Streben nach Effizienz, Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit.[1] Dies druckt sich in dem globalen Megatrend aus, der die Verbreitung und Entwicklung von effizienzstei- gernder und umweltfreundlicher Technologien in nahezu allen Anwendungsbe- reichen sowohl in industriellen als auch in privaten maGgeblich beeinflusst.[2]
Seit 1990 ist ein stetiger Anstieg des weltweiten Frachtverkehrs, der zu mehr als 90 % zur See abgewickelt wird[3], zu beobachten. Diese Entwicklung liegt in dem starken Wachstum der BRIC-Staaten[4] sowie weiterer Schwellenlander be- grundet.
In diesem wachsenden Logistikmarkt findet ferner eine zunehmende Reglemen- tierung sowohl der Energieeffizienz als auch der von den Schiffen ausgestoGe- nen Emissionen statt.[5] Diese Tatsache macht die Entwicklung und den Einsatz neuer Technologien im Schiffbau essentiell, zumal das Gros der Betriebskosten und damit der Transportkosten auf die Kraftstoffkosten entfallt.[6] Die Ermogli- chung von Wettbewerbsvorteilen durch Produktinnovationen kann sowohl als Anbietervorteil als auch in Gestalt des Kundenvorteils entscheidend fur das Be- stehen am Markt sein.[7]
Aus diesem Sachverhalt folgt die Entwicklung der Hochtemperatur- Supraleitungsmaschinen als grundlegende Produktinnovation im Bereich der elektrischen Maschinen und ihre Relevanz fur den wichtigsten globalen Lo- gistikmarkt. Diese Schlusseltechnologie muss im Schiffsmarkt, welcher von ei- nigen wenigen Nationen dominiert und von hartem Wettbewerb gekennzeichnet wird, strategisch eingefuhrt und vermarktet werden.
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise
Die Ziele dieser Arbeit bestehen darin, die Vorteile und Nachteile der Hochtem- peratur-Supraleitungsmaschinen gegenuberzustellen und einen Uberblick uber die technisch und okonomisch sinnvollen Anwendungsmoglichkeiten dieser Hochtechnologie zu geben. Die Quintessenz der Arbeit liegt in der Entwicklung einer Markteintritts- und Vertriebsstrategie aus Herstellersicht fur diese grundle- gende Produktinnovation und der damit verbundenen strategischen Positionie- rung im Markt. Der Praxisbezug wird anhand der exemplarischen Durchfuhrung am Markt fur Antriebs- und Energieerzeugungssysteme in Schiffen hergestellt. Dieser maritime Markt wurde gewahlt, da die Markteinfuhrung dort unter Be- rucksichtigung der hohen Anforderungen, der speziellen Gegebenheiten sowie der konservativen Haltung gegenuber neuen Technologien eine besondere Herausforderung darstellt.[8] Folglich kann aus der erfolgreichen Vermarktung in diesem Bereich die Erfolgswahrscheinlichkeit fur vergleichsweise weniger an- spruchsvoll Anwendungsbereiche im stationaren Betrieb an Land abgeleitet werden. Die Untersuchungen dieser Arbeit mussen partiell auf theoretischer Basis erfolgen, da die zu betrachtenden HTS-Maschinen noch nicht kommerzi- ell erhaltlich sind. Dies besitzt jedoch keinen Einfluss auf die Methodik sowie die Validitat der Untersuchungsergebnisse, da die Alltagstauglichkeit dieser Tech- nologie durch jungste Entwicklungen gezeigt wurde.
Zu Beginn der Arbeit werden sowohl die Grundlagen der konventionellen Dreh- strommaschine, der Asynchronmaschine, der Supraleitung sowie die der Hoch- temperatursupraleitung behandelt und charakteristische Merkmale, Kenngro- Gen, Besonderheiten und Zusammenhange erlautert. Darauf aufbauend wird ein Vergleich der konventionellen elektrischen Maschinen mit denen auf HTS- Basis durchgefuhrt. Dies fuhrt zum nachsten Kapitel, in dem die Unterschiede, die aus dem veranderten Maschinendesign folgen, sowie die Vorteile und Nach- teile der beiden Technologien, behandelt werden. Dies mundet in den mogli- chen Kundennutzen, der aus dieser Analyse resultiert. Eine Ubersicht uber die moglichen industriellen Applikationen und Anwendungsbereiche der HTS- Maschinen wird in Kapitel 4 gegeben, wobei eine Konzentration auf die Berei- che erfolgt, in denen groGe elektrische Maschinen von Bedeutung sind. Das nachfolgende Kapitel stellt den Kern dieser Arbeit dar. Darin werden zunachst die Voruberlegung und die Voraussetzungen wie Antriebssysteme und - technologien in Schiffen, der globale Schiffsmarkt und seine Besonderheiten sowie Charakteristiken und Merkmale des Beschaffungsprozesses von Investi- tionsgutern und die der Produktinnovation dargestellt, da diese fur das Ver- standnis der darauf folgenden Vertriebsstrategie notwendig sind. Als Vorberei- tung auf die Entwicklung der Strategie wird darauf eingegangen, was unter dem Strategiebegriff zu verstehen ist und welche grundlegenden Anforderungen an eine professionelle Vertriebsstrategie gestellt werden. AnschlieGend wird an- hand eines exemplarischen Herstellers von HTS-Maschinen die Problemstel- lung der Arbeit erlautert und die Rahmenbedingungen festgelegt, innerhalb de- rer die Entwicklung der Markteintritts- und Vertriebsstrategie in diesem konkre- ten Fall stattfinden soll. Im Folgenden wird der Entwicklungsprozess weiter pra- zisiert, indem die von dem Unternehmen zu treffenden Grundsatzentscheidun- gen vorgestellt werden. Dabei werden neben Chancen, Herausforderungen und Alternativen auch zu berucksichtigende Erwartungen, Wunsche und Bedurfnis- se der beteiligten Parteien und deren Interdependenzen aufgezeigt. Im Einklang mit den Rahmenbedingungen werden anschlieGend konkrete Entscheidungen getroffen und mogliche Handlungsempfehlungen erarbeitet. Hierzu wird auf der generischen Ebene des Marktes begonnen und sukzessive eine Konkretisie- rung bis hin zur Formulierung eines moglichen kundenspezifischen Nutzenver- sprechens durchgefuhrt, mit dessen Hilfe diese Produktinnovation erfolgreich in den Markt eingefuhrt und die strategische Positionierung erreicht werden soll.
In dem abschlieGenden Schlussteil werden die Ergebnisse dieser Arbeit zu- sammengefasst und kritisch diskutiert. Zudem wird ein Ausblick auf kunftige Entwicklungen gegeben.
2 Grundlagen
2.1 Konventionelle Drehstrommaschinen (Drehfeldmaschinen)
2.1.1 Allgemein
Die konventionellen Drehstrommaschinen basieren auf der Wandlung von elektrischer Energie in mechanische (Motor) und vice versa (Generator).[9] Die Leistungen variieren je nach Anwendung von wenigen gW als Motor einer Quarzuhr[10] stufenlos bis hin zu Generatoren mit 2000 MVA[11] im Grenzleis- tungsbetrieb.[12] Die Motoren nehmen dabei eine entscheidende Rolle als An- triebsmittel in industriellen wie auch privaten Anwendungen ein. Die dazu not- wendige elektrische Energie wird zu einem sehr groGen Anteil noch konventio- nell uber Generatoren erzeugt. Die Grundlage der elektrischen Maschinen geht auf die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips durch Werner von Siemens im Jahr 1866 zuruck.[13] Moderne Technologien im Bereich der regenerati- ven Energien hingegen nutzen eine andere Art der Energiewandlung, was sich bei der Photovoltaik in der Verwendung des photoelektrischen Effekts aus- druckt, dessen Charakteristikum die Wandlung von Lichtenergie in elektrische Energie ist. Die Funktionsweise der Brennstoffzellen basiert auf der galvani- schen Zelle, mit deren Hilfe chemische Energie in elektrische Energie uberfuhrt wird.
2.1.1.1 Aufbau
Eine Drehstrommaschine setzt sich im Wesentlichen aus zwei Teilen zusam- men: Dem Stator (Stander), welcher den auGeren feststehenden Teil der Ma- schine darstellt und dem Rotor (Laufer), der den inneren drehbaren Teil bildet.[14] Das Gehause, welches einen Teil des Stators bildet, hat die Funktion, das Drehmoment der Maschine gegen die Bodenebene abzustutzen und die Welle, welche einen Teil des Rotors darstellt, aufzunehmen. Es gibt verschiedene Charakteristika einer elektrischen Maschine, nach denen typologisiert werden kann. Die wichtigste GroGe stellt hierbei die Achs- bzw. Schafthohe h dar, welche die Hohe der Wellenmitte uber dem Bodenniveau angibt und somit als Be-
zugswert der BaugroGe[15] gilt.[16] Ferner mussen die Bauform[17] wie FuG- oder Flanschbefestigung und die Schutzart[18], die den Schutz von Personen vor Be- ruhrung von spannungsfuhrenden Maschinenteilen und den Schutz vor Fremd- korperpenetration in das Gehause darstellt, angegeben werden.[19] Eine Auswahl uber die verschiedenen Betriebsarten[20] [21] findet sich in Anhang I. Das Leistungs- schild einer elektrischen Maschine gibt unter anderem Aufschluss uber wichtige 21 Kenndaten wie den Hersteller, die Art der Maschine, die Effizienzklasse, die Nennbetriebsart, die Nennleistung in kW (Pmech), die Nenndrehzahl, die Strom- (3~ = Abkurzung fur Drehstrom) sowie die Schutzart. Abbildung 1 zeigt ein Leis- tungsschild der Siemens AG.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Leistungsschild eines 1LA9 IE2 Asynchronmotors (Quelle: Siemens AG (2009b), S.37)
2.1.1.2 Grundlegende Gleichungen
Die GroGe einer elektrischen Maschine hangt maGgeblich von der benotigten mechanischen Leistung[22] Pmech ab, die an der Welle anliegt. Die Leistung ist definiert nach
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die wichtigsten mechanischen KenngroUen fur die Auslegung eines Motors respektive Generators sind somit die Leistung P, das Drehmoment M und die Drehzahl n. Die Leistungsbilanz[23] im stationaren Betriebszustand ist demnach
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
wobei fur Motoren das Minuszeichen und fur Generatoren das Pluszeichen gilt. Die Verlustleistung Pv bezeichnet die Leistung, die durch die Energieumwand- lung anteilig in Warme umgesetzt wird und damit verloren geht. Diese hangt nach der allgemeinen Gleichung[24]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
von der elektrischen Spannung U sowie dem Strom I ab.
Das Verhaltnis zwischen abgegebener und aufgenommener Leistung[25], der Wirkungsgrad q[26], berechnet sich nach
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Neben diesen Korrelationen basiert die elektrische Maschine noch auf einer Reihe von GesetzmaUigkeiten der Elektrodynamik, von denen im Folgenden die wichtigsten dargestellt werden.
Die Maxwell-Gleichungen[27] stellen die Zusammenhange von elektrischen und magnetischen Feldern dar und dienen in Verbindung mit der Lorentz-Kraft der vollstandigen Erklarung elektromagnetischer Vorgange in der klassischen Elekt- rodynamik.[28]
Die erste Maxwell-Gleichung stellt das erweiterte amperesche Gesetz dar, nach dem die zeitliche Anderung des elektrischen Flusses zu einem magnetischen Wirbelfeld fuhrt. Die Gleichung in Integralform mit der magnetischen Feldstarke
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die zweite Maxwell-Gleichung verallgemeinert das Induktionsgesetz nach Faraday, wonach die Induktionsspannung Uind mit dem magnetischen Fluss 0 folgt nach
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Das Induktionsgesetz in erweiterter Integralform mit der elektrischen Feldstarke E und der magnetischen Flussdichte B zeigt durch
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
dass die zeitliche Anderung des magnetischen Flusses zu einem elektrischen Wirbelfeld fuhrt. Dieses Induktionsgesetz ist neben der bereits genannten me- chanischen Leistung der zweite zentrale Zusammenhang, der fur die Dimensio- nierung einer elektrischen Maschine essentiell ist.
Die Lorentz-Kraft beschreibt die Wirkung der Kraft FL in einem stromdurchflos- senen Leiter auf eine Ladung Q, welche sich im Magnetfeld B[29] mit der Ge- schwindigkeit v bewegt.[30] Dabei steht der Kraftvektor immer senkrecht auf dem Flussdichte- und dem Geschwindigkeitsvektor (Drei-Finger-Regel der rechten Hand[31] ). Uber das Kreuzprodukt der Vektoren und mit der elektrischen Feldstarke E ergibt sich damit
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.1.1.3 Funktionsweise
Im Stator der elektrischen Maschine sind drei Spulen unter einem Winkel von 120° radial versetzt auf einer Kreisbahn angeordnet und in die Nuten eines Standerblechpaketes aus isolierten Dynamoblechen eingebettet.[32] Dieser Auf- bau wird in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Sternschaltung zur Erzeugung eines Drehfeldes (Quelle: Fuest & Doring (2008), S.78)
Wichtig hierbei ist, dass die Spulen dieselbe Gesamtwindungszahl N besitzen und uber den gleichen Aufbau verfugen.[33] Die Wicklungen der Spulen konnen dabei sowohl einschichtig als auch zweischichtig ausgefuhrt sein.[34] Das Anle- gen einer dreiphasigen Wechselspannung (Drehstrom) an dieses Spulensys- tem, welches aus drei Leitern besteht, fuhrt nach der ersten Maxwell-Gleichung zur Entstehung eines Magnetfeldes in den Spulen. Fur die Verwendung von einem Spulensystem ergibt sich die Polpaarzahl p = 1, wobei die Polzahl 2p mit einem Nord- und einem Sudpol dabei zwei betragt. Die Uberlagerung dieser Einzelfelder fuhrt zu einem rotierenden Gesamtmagnetfeld, dem Drehfeld, wo- bei sich gleichlaufende Einzelfelder addieren und gegenlaufige annihilieren.[35] Wichtig fur die Entstehung dieses Drehfeldes ist der Luftspalt[36], welcher sich zwischen Stator und Rotor befindet und konstruktiv so klein wie moglich ge- wahlt wird.[37] Die Frequenz f, mit der das Feld rotiert, ist dabei abhangig von dem angelegten Strom und betragt in Deutschland 50 Hz. Die synchrone Dreh- zahl n0 des Drehfeldes betragt 50 Hz nach
was 50 Umdrehungen pro Sekunde oder 3000 Umdrehungen pro Minute ent- spricht.[38] Die Netzfrequenz limitiert demnach die maximal erreichbare Drehzahl einer elektrischen Maschine.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Der Laufer der elektrischen Maschine befindet sich in diesem Drehfeld und ist diesem ausgesetzt. Dies resultiert in der Durchflutung der Lauferwicklungen, womit nach der zweiten Maxwell-Gleichung eine Spannung in den Leitern indu- ziert wird.[39] Diese fuhrt zur Entstehung eines Laufer-Magnetfeldes, welches dem Drehfeld entgegengesetzt gepolt ist und dadurch von diesem angezogen wird. In Verbindung mit der Lorentz-Kraft respektive dem Lenz’schen Gesetz entsteht somit ein Drehmoment, welches den Laufer in Rotation versetzt. Aus diesem Verhalten folgt, dass Drehstrommaschinen auf der Entstehung und der Wirkungsweise eines Drehfeldes basieren.
2.1.2 Die Asynchronmaschine
Die Asynchronmaschine stellt den am weitesten verbreiteten und dam it den wichtigsten Typ der elektrischen Maschinen dar, fur industrielle Anwendungen ebenso wie fur private.[40] Der Terminus wird aus der Eigenschaft des Betriebs- verhaltens abgeleitet, nach welcher die Drehzahl des Rotors von der synchro- nen Drehzahl n0 des Statordrehfeldes abweicht, womit der Rotor asynchron lauft. Dieser Typ der Drehstrommaschine kann ebenfalls sowohl als Motor als auch als Generator ausgefuhrt sein, wobei die Motoranwendung uberwiegt.[41]
2.1.2.1 Aufbau
Der Stator der Asynchronmaschine hat den bereits in Abschnitt 2.1.1.1 skizzier- ten Aufbau, welcher der konventionellen Drehstrommaschine gleicht. Der Laufer hingegen besitzt eine Wicklung ausgefuhrt in Form eines Einzel- oder Dop- pelkafigs, woraus die Bezeichnung Kafiglaufer oder Doppelkafiglaufer folgt.[42] Dieser Kafig besteht aus in die Nuten des Lauferblechpaketes, welches aus isolierten Dynamoblechen zusammengesetzt ist, eingelegten leitenden Einzel- staben, die an ihren beiden Enden durch Ringe verbunden und dadurch standig kurzgeschlossen sind.[43] Daraus geht die alternative Bezeichnung als Kurz- schlusslaufer hervor. Die Variante des Schleifringlaufers wird aufgrund der ge- ringeren Verbreitung nicht behandelt.[44] Abbildung 3 zeigt die Schnittdarstellung und Abbildung 4 den Aufbau einer Asynchronmaschine.
1. Stator
2. Statorrucken
3. Kupferwicklungen
4. Kurzschlussring
5. Lauferstabe
6. Lauferwelle
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Aufbau eines Asynchronmotors (Quelle: Siemens AG (2009b), S.15)
2.1.2.2 Grundlegendes Betriebsverhalten, Kennlinien und Zusammenhange
Die relative Abweichung der Lauferdrehzahl n von der synchronen Drehzahl n0 des Drehfeldes wird als Schlupf s bezeichnet und gilt nach
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Der Schlupf stellt deshalb eine wichtige GroGe der Asynchronmaschine dar, da eine Synchronizitat zwischen beiden Drehzahlen bedeuten wurde, dass die notwendige Relativbewegung zwischen dem Laufer-Magnetfeld und dem Stator-Drehfeld verhindert wird.[45] Dies hat zur Folge, dass keine zeitliche Anderung des magnetischen Flusses im Laufer stattfindet und somit die Entstehung des Drehmomentes nach dem Induktionsgesetz unterbunden wird. Der Motor wird deshalb auch haufig als Induktionsmotor bezeichnet.[46] Somit kann der Asyn- chronmotor nur mit einer Drehzahl, die wenige Prozent unterhalb der Syn- chrondrehzahl (auch Leerlaufdrehzahl) liegt, betrieben werden, der Nenndreh- zahl nN. Andernfalls wird die neben der Drehzahl wichtigste mechanische Gro- Ge, das Drehmoment M, zu null.[47]
Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie gibt Aufschluss daruber, wie das maximal mogliche Drehmoment in Abhangigkeit von der Drehzahl verlauft. Der Wert An- laufmoment MA gibt an, welches Drehmoment sofort nach Einschalten der Ma- schine anliegt. Dieses sowie das maximal mogliche Drehmoment, das Kipp- moment MK beim Kippschlupf sK, liegen dabei hoher als das, welches bei der Nenndrehzahl nN, das Nennmoment MN, vorliegt. Der linear abfallende Teil der Kennlinie stellt den stabilen Betriebsbereich dar.[48] Abbildung 5 zeigt die Kennli- nie einer Asynchronmaschine und gibt ferner an, dass der Generatorbetrieb negativen Nennschlupf erfordert, woraus sich ein gegenuber dem untersyn- chronen Motorbetrieb abgegrenztes ubersynchrones Betriebsverhalten ergibt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie einer Asynchronmaschine (Quelle: Fuest & Poring (2008). S.92)
Der Drehmomentverlauf kann durch die Variation der Nutform und dam it der Lauferstabform beeinflusst werden, um den Anforderungen unterschiedlicher Applikationen gerecht zu werden. Abbildung 6 zeigt die Auswirkungen der ver- schiedenen Formen unter der Pramisse, dass das Nennmoment, der Anlauf- strom sowie die Rotorverluste bei Nennlast jeweils gleich groR> sind.[49]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Einfluss der Lauferstabform auf den Drehmomentverlauf in Abhangigkeit von der Drehzahl (Quelle: Siemens AG (2009b), S.36)
In Abschnitt 2.1.1.2 wurde bereits die Leistungsbilanz des stationaren Betriebs vorgestellt. Um Aussagen uber das stationare Verhalten der Asynchronmaschi- ne treffen zu konnen, ist es notwendig, das einphasige Ersatzschaltbild, welches in Abbildung 7 dargestellt ist, zu betrachten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Ersatzschaltbild und Leistungsbilanz einer Asynchronmaschine (Quelle: Merz & Lipphardt (2008), S.278)
Das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine basiert nach diesem Schaltbild auf einem Transformator, der mit einem ohmschen Lastwiderstand beaufschlagt wird.[50] Diese Widerstande sind mit „R" bezeichnet, die komplexen induktiven Blindwiderstande[51], die Spulen, mit „X". Es wird deutlich, dass die Wandlung von elektrischer in mechanische Leistung in jedem Fall verlustbehaftet ist, was das Erreichen der Synchrondrehzahl n0 durch den Laufer verhindert und sich meist in Form von Warme ausdruckt. Daraus resultiert, dass mehr elektrische Leistung zugefuhrt werden muss, als mechanische Leistung nach der Umwand- lung zur Verfugung steht.[52] Die Wirkleistung Pel, welche der Maschine zugefuhrt werden muss, folgt aus
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wobei der Phasenverschiebungswinkel y die Phasendifferenz zwischen Stan- derspannung U1 und Standerstrom I1 beschreibt.[53] Nach Abzug der Statorver- luste in Form der Kupferverluste an der Standerwicklung PCu1[54] und der Eisen- verluste PFe[55] durch Hysterese[56] und Wirbelstrome der Dynamobleche, ergibt sich die in den Laufer ubertragene Leistung, die Drehfeldleistung P5 gemaG
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Weitere Verluste, die Rotorverluste, treten in Form der Kupferverluste an der Lauferwicklung PCu2[57] auf und sind zum Schlupf s proportional[58], woraus die mechanische Leistung Pmech an der Welle folgt nach
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sofern die geringen Lager- und Luftreibungsverluste vernachlassigt werden.[59] Der Wirkungsgrad q der Maschine folgt mit dem Schlupf s aus
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wenn zusatzlich auch die Statorverluste vernachlassigt werden.[60]
Der in der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie gezeigte Verlauf des Drehmoments kann auch berechnet werden. Dies erfolgt uber die Kloft‘sche Gleichung, bei der ein reduziertes Ersatzschaltbild angenommen wird. Die allgemeine Gleichung zur Berechnung des Drehmoments M der Asynchronmaschine lautet
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Da die Drehfeldleistung P5 zum Schlupf s proportional ist, gilt diese Abhangig- keit auch fur das resultierende Drehmoment M, da die Drehfeldleistung in die Berechnung eingeht. Die Gleichung zur Berechnung der Synchrondrehzahl n0 wurde in Abschnitt 2.1.1.3 dargestellt.
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[...]
[1] Vgl. Allianz SE (2008), S.6ff.
[2] Vgl. Roland Berger Strategy Consultants GmbH (2012) S.4ff.
[3] Vgl. IMO - International Maritime Organization (2012), S.2
[4] Die BRIC-Staaten setzen sich zusammen aus Brasilien, Russland, Indien & China.
[5] Vgl. ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (2012), S.41
[6] Vgl. Verband fur Schiffbau und Meerestechnik e. V. (2012), S.1
[7] Vgl. Kleinaltenkamp & Saab (2009), S.6
[8] Vgl. Alfa Laval (2012), S.5f.
[9] Vgl. Kremser (2008), S.1
[10] Vgl. Fischer (2009), S.11
[11] Die Leistungsangabe von Generatoren erfolgt ublicherweise in Voltampere und nicht in Watt.
[12] Vgl. Kremser (2008), S.1
[13] Vgl. Siemens AG (2012b)
[14] Vgl. Rentzsch (1973), S.6
[15] Nach DIN 747.
[16] Vgl. Fischer (2009), S.11f.
[17] Nach EN 60034-7 bzw. VDE 0530 Teil 7.
[18] Nach DIN 40050 bzw. VDE 0530 Teil 5.
[19] Vgl. Fischer (2009), S.379ff.
[20] Nach EN 60034-1 bzw. VDE 0530 Teil 1.
[21] Nach EN 60034-1 bzw. VDE 0530 Teil 1.
[22] Vgl. Fischer (2009), S.13
[23] Vgl. Fischer (2009), S.13
[24] Vgl. Fischer (2009), S.13
[25] Vgl. Fischer (2009), S.13
[26] n ist eine GroUe der Dimension Eins und kann nebstdem in [%] angegeben werden.
[27] Vgl. Hering, Martin, & Stohrer (2007), S.412ff. Weiterfuhrende Literatur: Maxwell (1873).
[28] Vgl. Hering, Martin, & Stohrer (2007), S.412
[29] Die prazisere Terminus fur B ist „magnetische Flussdichte" und nicht „Magnetfeld“.
[30] Vgl. Merz & Lipphardt (2008), S.89ff.
[31] Vgl. Schroder (2007), S.279
[32] Vgl. Fuest & Doring (2008), S.78
[33] Vgl. Fischer (2009), S.142
[34] Vgl. Bolte (2012), S.209ff.
[35] Vgl. Kremser (2008), S.73
[36] Vgl. Bolte (2012), S.274
[37] Vgl. Fischer (2009), S.171
[38] Vgl. Fuest & Doring (2008), S.79
[39] Vgl. Fischer (2009), S.172
[40] Vgl. Siemens AG (2009a), S.4
[41] Vgl. Merz & Lipphardt (2008), S.263
[42] Vgl. Spring (2009), S.227
[43] Vgl. Kremser (2008), S.67
[44] Vgl. Siemens AG (2009b), S.67
[45] Vgl. Siemens AG (2009a), S.4
[46] Vgl. Schroder (2007), S.264
[47] Vgl. Fischer (2009), S.172
[48] Vgl. Schroder (2007), S.314f.
[49] Vgl. Bolte (2012), S.315
[50] Vgl. Fuest & Doring (2008), S.85
[51] Der Blindwiderstand stellt den imaginaren Teil und der ohmsche Widerstand den reellen Teil der Impe- danz Z nach Z = R + jX dar.
[52] Vgl. Siemens AG (2009b), S.50
[53] Vgl. Merz & Lipphardt (2008), S.138
[54] p _ o * p » | 2 "Cu1 "J Kl >1
[55] p — o * p * |2 rpe ~ 3 r Fe ' Fe
[56] Ummagnetisierung. Vgl. Kremser (2008), S.110
57 PCU2 = 3 * R'2 * I 2
58 Vgl. Siemens AG (2009a), S.4
59 Vgl. Merz & Lipphardt (2008), S.279
60 Vgl. Fuest & D6ring (2008), S.100
- Citar trabajo
- Eric Scheithauer (Autor), 2013, Anwendung und Vermarktung von Hochtemperatur-Supraleitungsmaschinen. Produktinnovationen elektrischer Maschinen und deren Vorteil im globalen Wettbewerb, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/378896
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