Elektrische Antriebe in der Fahrzeugtechnik: Lehr- und Arbeitsbuch

211 Pages·2014·10.2 MB·German

by  Gerhard Babiel (auth.)

Gerhard Babiel
Elektrische Antriebe
in der Fahrzeugtechnik
Lehr- und Arbeitsbuch
3. Auflage
Elektrische Antriebe in der Fahrzeugtechnik
Gerhard Babiel
Elektrische Antriebe in der
Fahrzeugtechnik
Lehr- und Arbeitsbuch
3., verbesserte und erweiterte Auflage
GerhardBabiel
FBInformations-undElektrotechnik
FachhochschuleDortmund
Dortmund,Deutschland
ISBN978-3-658-03333-0 ISBN978-3-658-03334-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-03334-7
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Vorwort
Dieses Buch ist aus meinem Vorlesungsskript zur gleichnamigen Vorlesung für das
3. Semester im Studiengang Fahrzeug- und Verkehrstechnik entstanden, welche ich im
Bachelor-/Masterstudiengang an der Fachhochschule Dortmund halte. Die Vorlesung
wird von Studenten des Maschinenbausund von Fahrzeugelektronikernbesucht, die ein
gemeinsamesGrundstudiumabsolvieren.
VorausgesetztwerdendiekomplexeRechnungmitWechselstromgrößen,dieeinfache
Differential-undIntegralrechnung.
DasBuchrichtetsichauchanStudentenimGrundstudiumundnatürlichanIngenieure
undTechnikerausderFahrzeugindustrie,dieeineEinführungindieelektrischenAntriebe
wünschen.
DieEntwicklungderElektrofahrzeugeverläuftrasant.MiteinigenneuenKapitelnwird
dem auch in der 3. Auflage Rechnung getragen: Die Al-Luft-Batterie, der Zink-Luft-
Akkumulator, KERS – das Kinetic Energy Restoring System der Formel 1 und Schritt-
motoren.
CapetownSA,imMärz2014 GerhardBabiel
V
Inhaltsverzeichnis
FormelzeichenundAbkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
1 EnergiealsprimäreAntriebsgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 DiezugeschnitteneGrößengleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 FormelsammlungzurEnergieumwandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 MechanischeEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 ChemischeEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.1 DasPeriodensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 NukleareEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6 ElektrischeundmagnetischeFeldenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.7 Gravitationsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.8 Solarenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.9 ÜbungsaufgabenzuKap.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 ElektrochemischeEnergiespeicherund-wandler . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 Akkumulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1 AGM-undGel-Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2 DieBrennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 TechnischeAusführungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Lithiumionen-Akkumulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 AluminiumLuft-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6 Zink-Luft-Akkumulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6.1 Entladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6.2 Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.7 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 Magnetfeldgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.1 DasDurchflutungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.2 DiemagnetischeFlussdichteB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
3.1.3 DermagnetischeFluss(cid:2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.4 DermagnetischeWiderstandR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
m
3.1.5 Das„OhmscheGesetz“fürMagnetkreise . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.6 Fremdinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.7 Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 GekoppelteSpulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.1 IdealerÜbertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.2 TransformatormitStreufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 SpannungsgleichungendesTransformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 ErsatzschaltbilderfürTransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.1 ErsatzschaltbilddesidealenTransformators . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.2 ErsatzschaltbilddesrealenTransformators . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.3 ZeigerbilddesTransformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5 VerlusteeinesTransformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5.1 VerlusteimLeerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.2 StrömeundVerlusteimKurzschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6 Dreiphasenspannungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6.1 Einphasen-SpannungsversorgungmitSchutzkontakt . . . . . . . . 58
3.6.2 Dreiphasen-Spannungsversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.6.3 LeistungimDreiphasensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.7 TechnischeAusführungenvonTransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.7.1 WirbelstromunterdrückunginTransformatoren . . . . . . . . . . . 66
3.7.2 Kerntransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.7.3 Manteltransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.7.4 Ringkerntransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.7.5 DerSpartransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.7.6 DerTrenntransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.7.7 TransformatormitMittelanzapfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.7.8 Drehstromtransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.8 MagnetischeAbschirmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.9 DrosselwirkungvonSpulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.10 ÜbungsaufgabenzuKap.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 ElektrischeMaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1 Zählpfeilsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 ElektromechanischeEnergiewandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.1 EnergiedichtedeselektrischenFeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2.2 EnergiedichtedesmagnetischenFeldes . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3 KraftundDrehmomenterzeugungineinerelektrischenMaschine . . . . 81
4.4 DerLinearmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4.1 LinearmotorinAnwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.5 DieDrehfeldmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Inhaltsverzeichnis IX
4.5.1 KonstruktionsbegriffeelektrischerMaschinen . . . . . . . . . . . . 85
4.6 DieAsynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.6.1 ErsatzschaltbildderAsynchronmaschinemitKurzschlussläufer . 90
4.6.2 OrtskurvedesStänderstromesderAsynchronmaschine . . . . . . 92
4.6.3 BetriebszuständederAsynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . 96
4.6.4 DrehmomentundLeistungderAsynchronmaschine . . . . . . . . 97
4.6.5 DrehzahlstellungderAsynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . 103
4.6.6 ÜbungsaufgabenzurAsynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . 109
4.7 DieSynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.7.1 DasErsatzschaltbildderSynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . 115
4.7.2 BetriebszuständederSynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.7.3 LeistungundDrehmomentderSynchronmaschine . . . . . . . . . 118
4.7.4 Klauenpolsynchrongenerator(Lichtmaschine) . . . . . . . . . . . . 119
4.8 DieGleichstrommaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.8.1 Generatorbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.8.2 Motorbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.9 Einphasen-Kommutatormotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.10 LeistungsflussinelektrischenMaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.11 DerReluktanzmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.12 Asynchron-Reluktanzmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.13 Transversalflussmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.14 BürstenloserGleichstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.14.1 AufbaudesBLDC-Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.14.2 StatorströmedesBLDC-Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.14.3 RegelungdesBLDC-MotorsmitHallsensoren . . . . . . . . . . . 135
4.14.4 SensorloseRegelungdesBLDC-Motors . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.15 Schrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.15.1 DerpermanenterregteSchrittmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.15.2 DasMikroschrittverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.15.3 Reluktanzschrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.15.4 Hybridschrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.16 ÜbungsaufgabenzuSynchron-undGleichstrommaschine . . . . . . . . . 148
5 Antriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.1 AntriebskonzepteinerE-Lok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2 DieMagnetschwebebahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.2.1 DerTransrapid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.2.2 DieJapanischeMagnetschwebebahn„SupraleitenderMaglev“ . 159
5.3 ElektromechanischesKERS–KineticEnergyRestoringSystem . . . . . 161
5.4 ÜbungsaufgabezuKap.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.5 AllgemeinePrüfungsfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
X Inhaltsverzeichnis
6 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.1 KomplexeLeistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.2 Ortskurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3 LösungenzudenÜbungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.4 LösungenzuAbschn.5.4AllgemeinePrüfungsfragen . . . . . . . . . . . 193
6.5 Werkstoffdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Periodensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Formelzeichen und Abkürzungen
I,U KomplexeEffektivwertzeigervonStromundSpannung
I,U Effektivwerte, Gleichstromwerte, Betrag der komplexen Effektivwert-
zeiger
i(t),u(t) ZeitlichveränderlichereelleStrömeundSpannungen
iO;uO AmplitudezeitlichveränderlicherStrömeundSpannungen
p
iO D 2(cid:2)I
p FürsinusförmigeStrömeundSpannungen
uO D 2(cid:2)U
A Ampere,EinheitdeselektrischenStroms
C Coulomb,EinheitderelektrischenLadung
V Volt,EinheitderelektrischenSpannung
˚ MagnetischerFluss(Spitzenwert)
B,H MagnetischeFlussdichte,magnetischeFeldstärke
T=Vs/m2 Tesla,EinheitderFlussdichte
‚ MagnetischeDurchflutung(magnetischeSpannung)
E ElektrischeFeldstärke
R ElektrischerWiderstand
(cid:3) SpezifischerelektrischerWiderstand
G Leitwert
(cid:4) Streuziffer
(cid:5) Wellenlänge
˝ EinheitdeselektrischenWiderstandesOhm
R Reluktanz,magnetischerWiderstand
m
µ=µ (cid:2)µ MagnetischePermeabilität
r 0
µ 1,256(cid:2)10–6Vs/Am
0
"="(cid:2)" Dielektrizitätszahl
0
" 8,86(cid:2)10–12F/m
0
(cid:6) Gravitationskonstante6,674(cid:2)10–11m3/(kgs2)
C Kapazität
F=As/V Farad,EinheitderKapazität
L Induktivität
X Blindwiderstand
XI