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Elektromotor: Drehzahl, Abhängigkeit Spannung? Radnabenmotor
Hi zusammen, ich verstehe folgenden Zusammenhang nicht:
Die Leistung P eines Motors berechnet sich nach P = M x n
Man kann also entweder das Drehmoment oder die Drehzahl erhöhen.
Das Drehmoment ist wegen der Lorentzkraft
M = F x r
F = (i * l) x B
vom Strom i abhängig. Um die Stromverluste zu reduzieren sollte man daher eher die Drehzahl n erhöhen.
Das soll mithilfe der Spannung geschehen. Doch verstehe ich nicht,
a) wie die Spannung auf die Drehzahl physikalisch überhaupt einen Einfluss hat
b) wieso das besser ist als den Strom zu erhöhen, da mit steigender Spannung doch auch der Strom steigt -> Verluste sich erhöhen
Sind die Zusammenhänge soweit korrekt? Und gelten sie prinzipiell sowohl für Gleichstrom- als auch für Drehfeldmaschinen?
Und: Bedeutet das nicht auch, dass Radnaben/Axialflussmotoren an den Rädern von Elektroautos total ineffizient sind, bzw mit großem Drehmoment/Strom betrieben werden müssen? Da hier meistens kein Getriebe vorhanden ist, und hier somit "nur" die maximal 1.500 U/min der Autoräder vom Motor geliefert werden können, und nicht die typischen 8.000 - 20.000 U/min - was wiederum den Wirkungsgrad, die Effizienz verringert und damit den Aufwand, die Kosten und die Baugröße erhöht?
Das mit dem DC-Motor bezieht sich natürlich nur auf meine obigen allgemeinen Fragen, und nicht auf die Frage bzgl der Radnabenmotoren im Elektroauto.
Ich würde mich über eine physikalisch-technische Erklärung freuen!
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7 Antworten
Ich denke, da ist noch U=I*R, wobei R proportional zur Spulenlänge oder Windungszahl ist. Erhöht man die Windungszahl, kann man dieselbe Kraft mit höherer Spannung bei niedrigerem Strom bekommen, und damit niedrigeren Ohm'schen Verlusten.
n ist sicher durch Reibungsverluste begrenzt, somit liegt ein klassisches Optimierungsproblem vor. Jedes Getriebe hat Verluste. Soviel kann ich beitragen.
Von welchem typischen Motor (Asynchronmotor, Synchronmotor mit/ohne Permanentmagnete und so weiter) sprechen wir hier?
Die Betrachtung von Leistung/Drehmoment/Drehzahl ist der mechanische Teil und ist erstmal losgelöst vom elektrischen Teil.
Die Drehzahl ist beim Elektroauto vorgegeben, da es meist eine feste Übersetzung gibt und das Fahrzeug ja mit einer gewünschten Geschwindigkeit fahren soll.
Du kannst also nicht einfach die Drehzahl erhöhen.
Die Drehzahl ist vom mechanischen System abhängig und ist eine zu erzielende Wunschgröße (Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs).
Ich verstehe daher deinen Ansatz nicht so recht.
Grundsätzlich gilt aber, dass man mit höherer Spannung einen höheren Strom einprägen kann und dadurch ein höheres Moment erzielen kann oder aufgrund der Gegen-EMK sowieso höhere Spannung zum Erreichen der Drehzahl braucht. Das hat aber erstmal nichts mit Effizienz zu tun.
Für die einzelnen Antriebe gibt es eigene Gleichungen, da sich Gleichstrommaschinen und auch die einzelnen Arten von Drehfeldmaschinen unterscheiden.
Zum Thema Radnabenantrieb: auch hier kann (und werden) Untersetzungsgetriebe integriert. Auch kann man einen Antrieb auf hohe Effizienz bei niedrigen Drehzahlen optimieren.
Zu meiner Frage mit den Radnabenmotoren:
Angenommen, man verbaut diese direkt an den Rädern. Wenn man hier kein Getriebe verwendet, dann muss der Motor sich doch mit genau der Drehzahl drehen, die an die Räder auf die Straße transportiert wird. z.B. 1.500 U/min
D.h der Motor ist in der maximalen Drehzahl begrenzt und kann nicht einfach mit 8.000 - 20.000 U/min drehen. Die einzige Möglichkeit, jetzt eine hohe Leistung zu erzeugen, wäre doch nach P = M x n ein hohes Drehmoment M zu liefern.
Meine Frage ist jetzt, ob der obige Zusammenhang mit M über die Lorentzkraft richtig ist und das damit bedeutet, dass ein entsprechend großer Strom bereit gestellt werden muss -> höhere Verluste -> der Motor ist ineffizient
Kommt halt drauf an.
Zum Beispiel bei permanenterregten Synchronmaschinen ist das Moment vom eingeprägten Statorstorm und der Flussverkettung abhängig.
Man kann also starke Permanentmagnete nutzen und dafür den Strom niedriger halten.
Oder man erhöht den Strom.
Die Frage nach dem nötigen Moment hängt dann von der gewünschten Leistung ab.
Die typischerweise verwendeten Synchronmaschinen halten sich an 2 Grundregeln:
- Das abgegebene Drehmoment ist proportional zum Strom
- Die anliegende Drehzahl ist proportional zur Spannung an den Spulen (EMK)
Es gibt zwei charakteristische Merkmale dieser Maschinen, die Strom- und die Spannungskonstante. Die Stromkonstante gibt in Nm/A an vieviel Nm pro Ampere abgegeben werden, die Spannungskonstante rpm/V vieviel U/min pro Volt die Maschine leisten kann.
Die Sache mit dem Strom dürfte recht einleuchtend sein, je größer der Strom, desto stärker das Magnetfeld an dem sich die Permanentmagneten abstoßen/anziehen können. Damit ergibt sich die Stärke des Drehmoments.
Mit der Spannung ist es etwas komplizierter, man muss jetzt die Maschine auch als Generator betrachten. Drehe ich den Rotor, dann wird eine Spannung in den Spulen erzeugt. Dies passiert auch, wenn die Maschine als Motor betrieben wird. Diese EMK (elektromotorische Kraft) ist der außen anliegenden Spannung direkt entgegengesetzt.
Der aufgenommene Strom der Maschine (und damit das Drehmoment) ergibt sich dann über die am Innenwiderstand anliegenden Spannung (Speisespannung - EMK). Daraus ergeben sich dann mehrere Konsequenzen:
- Die maximale Drehzahl wird im Leerlauf ohne Last erreicht
- Der Strom im Leerlauf ist Null (bei der idealen Maschine ohne Reibung und Eisen-Verluste)
- Das maximale Drehmoment ergibt sich bei Stillstand und maximalem Strom, begrenzt durch den Innenwiderstand
Das ist jetzt nur ganz kurz und stark vereinfacht zusammengefasst. Über das Verhalten von diesen Motoren kann man ganze Bücher füllen....
Grüße,
Zeph
Zitat:
Und: Bedeutet das nicht auch, dass Radnaben/Axialflussmotoren an den Rädern von Elektroautos total ineffizient sind, bzw mit großem Drehmoment/Strom betrieben werden müssen? Da hier meistens kein Getriebe vorhanden ist, und hier somit "nur" die maximal 1.500 U/min der Autoräder vom Motor geliefert werden können, und nicht die typischen 8.000 - 20.000 U/min - was wiederum den Wirkungsgrad, die Effizienz verringert und damit den Aufwand, die Kosten und die Baugröße erhöht?
Bei einem Elektroauto wird meist ein Ein-Gang-Getriebe verwendet (vereinfacht gesagt zwei Zahnräder). Damit kann man die Drehzahl bei Höchstgeschwindigkeit an den Motor anpassen. Die Übersetzung dürfte ungefähr bei 10:1 liegen sodass die Räder 1.500 U/min laufen wenn der Motor mit 15.000 U/min läuft.
Bei den elektrisch unterstützten Fahrrädern sind die Technik und die Zusammenhänge dem interessierten Nutzer und Selbstbauer wesentlich zugänglicher. Und hier gibt es auch 1:1 Nabenmotoren "Direktläufer" die bei den typischen 25 bzw. 45km/h Auslegung seeehr langsam drehen. Und auch die Nabenmotoren mit integriertem Planetengetriebe drehen bei weitem nicht so schnell wie wünschenswert. Die Motoren sind sehr "vielpolig" um bei den tiefen Drehzahlen noch effizient zu arbeiten. Die vielen Pole ergeben automatisch auch einen grossen Durchmesser, so dass die Motoren trotz Radialfluss scheibenförmig sind. Der Läufer mit den Magneten ist zugleich das rotierende Gehäuse (bzw. im Fall vom Getriebemotor eine darin schneller rotierende Magnetglocke. Prinzip Aussenläufer. Es werden Grundsätzlich BLDC (bürstenlose Gleichstrommotoren), also permanenterregte Motoren verbaut, weil das die leichtesten Motoren ergibt. Die (Leerlauf-)Drehzahl ist in bestimmten Grenzen frisierbar indem sie mit anderen Batteriespannungen als vorgesehen betrieben werden. Auch gibt es typischerweise vom selben Motor verschiedene Wicklungen zur Auswahl um die verschiedenen Radgrössen abdecken zu können. Also schnelle und langsame Wicklungen. Wobei die schnelle Wicklung weniger Windungen pro Spule also weniger Induktivität hat und somit (bei gleicher Spannung) ihr Magnetfeld schneller auf und abbauen kann.
Und damit kommt man auch an die Grenzen des Systems. Aufgrund der geringen Leistung kommt es am Berg zu Geschwindigkeitseinbruch und in der Folge zu einem teils länger anhaltenden Betriebszustand wo der Nutzer bei weniger als der halben Leerlaufdrehzahl Vollgas gibt. Hierbei kommen die Statorspulen in einen Zustand wo die Induktivität ausgeschöpft ist und sie nach dem Aufbau des Magnetfelds als ohm'scher Widerstand zur Heizung verkommen. Das, in Verbindung mit der schlechten Kühlung des Stators führt dann zum Überhitzen worauf die besseren mit Leistungsreduktion oder Abschalten reagieren und die schlechteren den Wicklungslack schmelzen und/oder ihre Permanentmagnete entmagnetisieren. Die sind nämlich nicht besonders temperaturbeständig.
Den Betriebszustand gibt es beim Auto nicht stationär. Wegen der hohen Leistung hält Vollgas und tiefe Drehzahl nur sehr kurzfristig an. (Aber darum kannst es auch keine Treppe hochtragen.)
Um das Problem zu umgehen gibt es schaltbare Nabenmotoren (2-Gang) oder der Motor wird ans Tretlager montiert und erfreut sich einem ständig angenehmem Drehzahlbereich weil der Nutzer die Kurbeldrehzahl mithilfe der (Ketten-)schaltung in einem engen Fenster hält. Der Mensch kurbelt halt auch nur in einem engen Drehzahlfenster effizient.
Also ja, wenn man Nabenmotoren leicht (ungefederte Masse) und effizient (notwendiged Batteriegewicht) bauen will sollte nicht nur Strom und Spannung im Betrieb variiert werden sondern auch das Übersetzungsverhältnis.
Was es in der Industrie noch gibt sind polumschaltbare Motoren. Wo die Hälfte der Pole abgeschaltet werden kann um die Drehzahl zu verdoppeln. Das ist aber eher auf dem absteigenden Ast, jetzt wo sich Frequenzumformer weiter verbreiten. Die Industriemotoren die fix an 50Hz laufen werden immer weniger. Die Drehzahl wird dann über die angelegte Frequenz gesteuert, wie beim Fahrrad bzw. Auto auch. Bzw. weil das angelegte Drehfeld von der Rotorstellung vorgegeben wird über die Spannung. Die Spannung ist nur bei Vollgas gleich der Batteriespannung, bei weniger Gas wird sie durch Pulsweitenmodulation in Verbindung mit der Trägheit (Induktivität) der Wicklung heruntergesetzt.
Das Gaspedal ist also jetzt ein Spannungspedal.