induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine (iEESM)

für den Einsatz in Elektrofahrzeugen

Synchronmaschinen sind elektrische Drehfeldmaschinen, die für den Betrieb ein magnetisches Gleichfeld auf dem Rotor benötigen. Dies kann entweder von Permanentmagneten hervorgerufen werden oder mittels einer elektrischen Wicklung erzeugt werden. Die permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine ist der bei Elektrofahrzeugen am häufigsten eingesetzte Motortyp, maßgebliche Vorteile sind die hohe Leistungsdichte und hervorragende Effizienz bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen und Drehmomenten. Der Nachteil dieser Maschine ist jedoch, dass Permanentmagnete temperaturempfindlich und aufgrund des Einsatzes von Metallen der Seltenen Erden preislich schwer kalkulierbar sind. Außerdem wirkt sich das nicht regelbare magnetische Feld der Permanentmagnete insbesondere bei hohen Drehzahlen negativ auf den Wirkungsgrad der Maschine aus. Daher ist das Interesse der Industrie groß, eine sinnvolle Alternative zur permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine zu finden.

Eine Alternative stellt die elektrisch erregte Synchronmaschine dar. Da für die elektrische Spule/Wicklung rotorseitig jedoch elektrische Energie benötigt wird, muss diese vom Stator auf den drehenden Rotor übertragen werden. Hierzu werden auch in Elektrofahrzeugen Schleifringe verwendet, die Übertragung des Stroms findet mittels Reibung statt. Prinzipbedingt kommt es durch Abrieb zu einem Verschleiß der Schleifringe, weshalb diese in Elektrofahrzeugen einfach austauschbar angebracht werden müssen. Dies bedingt meist eine Unterbringung der Schleifringe außerhalb des Gehäuses des elektrischen Antriebs, weshalb es zu einem erhöhten Bauraumbedarf kommt. Zudem stellen Schleifringe bei stetig höheren Drehzahlen im Automotive Bereich eine große Herausforderung dar, da es zu partiellem Kontaktverlust innerhalb der Schleifringe kommen kann. Dies kann zur Bildung elektrischer Lichtbögen und thermischer Hot-Spots führen.

Mit dem Einsatz eines induktiven Übertragersystems kann eine kontaktlose und damit verschleißfreie Alternative zu Schleifringen geschaffen werden. Das Spulensystem des induktiven Übertragersystems kann platzsparend in der Welle oder zwischen den Wickelköpfen des Motors integriert werden. Ein weiterer Vorteil stellt die sehr hohe Effizienz des induktiven Übertragersystems dar, womit vor allem die Wärmeentwicklung begrenzt werden kann.

Eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine (iEESM) mit integriertem Übertragersystem führt noch zu einigen technischen Herausforderungen, die derzeit am iew anhand mehrerer Prototypen erforscht werden. Dazu zählen beispielsweise die störungsfreie Schätzung des Rotorstroms und der Rotorwicklungstemperatur im Betrieb der iEESM. Ebenfalls ein wichtiges Forschungsthema ist die kombinierte Auslegung und Optimierung des gesamten Antriebssystems bestehend aus elektrischer Maschine, dem Pulswechselrichter sowie der induktiven Übertragungsstrecke. Auch die genaue Bestimmung der Wärmeentwicklung im Übertrager sowie eine optimierte Integration des Spulensystems in die Welle stellen aktuelle Forschungsthemen im Bereich der iEESM dar.

Bei allgemeinen Fragen zur Lehre am iew

 

Institut für Elektrische Energiewandlung

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