Elektrische Antriebe in der Fahrzeugtechnik : Lehr- und Arbeitsbuch ; mit 7 Tabellen und 34 Übungsaufgaben

189 Pages·2009·3.25 MB·German

by  Gerhard Babiel

Gerhard Babiel
Elektrische Antriebe
in der
Fahrzeugtechnik
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vieweg
Gerhard Babiel
Elektrische Antriebe
in der
Fahrzeugtechnik
Lehr- und Arbeitsbuch
Mit 144 Abbildungen
und 56 Übungsaufgaben
Studium Technik
Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
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1. Auflage Juni 2007
Alle Rechte vorbehalten
©Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007
Lektorat: Reinhard Dapper
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Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0311-5
V
Vorwort
Dieses Buch ist aus meinem Vorlesungsskript zur gleichnamigen Vorlesung für das
3. Semester im Studiengang Fahrzeug- und Verkehrstechnik entstanden, welche ich im
Diplomstudiengang an der Fachhochschule Dortmund halte. Die Vorlesung wird von
Studenten des Maschinenbaus und von Fahrzeugelektronikern besucht, die ein gemein-
sames Grundstudium absolvieren.
Vorausgesetzt wird die komplexe Rechnung mit Wechselstromgrößen, einfache Diffe-
rential- und Integralrechnung.
Das Buch richtet sich auch an Studenten im Grundstudium für den zukünftigen Bache-
lor- und Masterstudiengang und natürlich an Ingenieure und Techniker aus der Fahr-
zeugindustrie, die eine Einführung in die elektrischen Antriebe wünschen.
Mein Dank gilt den Studenten, die beharrlich Fragen gestellt haben und damit Anregun-
gen zur Verbesserung des Skripts gaben.
Meiner Frau und meinem Sohn danke ich für das Korrekturlesen, sowie dem Vieweg
Verlagsteam für die redaktionelle Unterstützung.
Meinen Eltern möchte ich besonders dafür danken, dass sie mir die Schulausbildung auf
dem Gymnasium ermöglicht haben.

Dortmund, Gerhard Babiel
im Juni 2007
Inhaltsverzeichnis VII
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ...........................................................................................................................V
Formelzeichen und Abkürzungen ..................................................................................XI
1 Energie als primäre Antriebsgröße .......................................................................1
1.1 Die zugeschnittene Größengleichung ......................................................... 1
1.2 Formelsammlung zur Energieumwandlung ................................................ 4
1.3 Mechanische Energie .................................................................................. 8
1.4 Chemische Energie ..................................................................................... 10
1.4.1 Das Periodensystem ......................................................................... 10
1.5 Nukleare Energie ........................................................................................ 16
1.6 Elektrische und magnetische Feldenergie ................................................... 17
1.7 Gravitationsenergie ..................................................................................... 17
1.8 Solarenergie ................................................................................................ 18
1.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 1 ..................................................................... 20
(cid:1) Aufgabe 1.1 ............................................................................................. 20
(cid:1) Aufgabe 1.2 ............................................................................................. 20
(cid:1) Aufgabe 1.3 ............................................................................................. 20
(cid:1) Aufgabe 1.4 ............................................................................................. 21
(cid:1) Aufgabe 1.5 ............................................................................................. 21
2 Elektrochemische Energiespeicher und -wandler...............................................23
2.1 Akkumulatoren ........................................................................................... 23
2.1.1 AGM- und Gel-Technologie ............................................................ 25
2.2 Die Brennstoffzelle ...................................................................................... 26
2.3 Kondensatoren ............................................................................................. 30
Technische Ausführungen ........................................................................... 33
2.4 Übungsaufgaben zu Kapitel 2 ...................................................................... 34
(cid:1) Aufgabe 2.1 .............................................................................................. 34
(cid:1) Aufgabe 2.2 .............................................................................................. 34
(cid:1) Aufgabe 2.3 .............................................................................................. 34
(cid:1) Aufgabe 2.4 .............................................................................................. 34
(cid:1) Aufgabe 2.5 .............................................................................................. 35
(cid:1) Aufgabe 2.6 .............................................................................................. 35
3 Transformatoren ....................................................................................................37
3.1 Magnetfeldgleichungen ............................................................................... 37
3.1.1 Das Durchflutungsgesetz .................................................................. 37
3.1.2 Die magnetische Flussdichte B ......................................................... 37
3.1.3 Der magnetische Fluss (cid:73) ................................................................... 38
VIII Inhaltsverzeichnis
3.1.4 Der magnetische Widerstand Rm ..................................................... 38
3.1.5 Das „Ohmsche Gesetz“ für Magnetkreise ........................................ 38
3.1.6 Fremdinduktion ................................................................................ 38
3.1.7 Selbstinduktion ................................................................................. 39
3.2 Gekoppelte Spulen ....................................................................................... 42
3.2.1 Idealer Übertrager ............................................................................. 43
3.2.2 Transformator mit Streufluss ............................................................ 43
3.3 Spannungsgleichungen des Transformators ................................................ 44
3.4 Ersatzschaltbilder für Transformatoren ....................................................... 46
3.4.1 Ersatzschaltbild des idealen Transformators .................................... 46
3.4.2 Ersatzschaltbild des realen Transformators ...................................... 47
3.4.3 Zeigerbild des Transformators ......................................................... 48
3.5 Verluste eines Transformators ..................................................................... 49
3.5.1 Verluste im Leerlauf ......................................................................... 49
3.5.2 Ströme und Verluste im Kurzschluss ............................................... 51
3.6 Dreiphasenspannungssysteme ..................................................................... 51
3.6.1 Einphasen-Spannungsversorgungmit Schutzkontakt ...................... 51
3.6.2 Dreiphasen-Spannungsversorgung ................................................... 52
Vorteile des Dreiphasensystems ...........................................................55
3.6.2.1 Symmetrische Last .................................................................55
3.6.3 Leistung im Dreiphasensystem ......................................................... 56
3.6.3.1 Symmetrische Last in Sternschaltung ....................................56
3.6.3.2 Symmetrische Last in Dreieckschaltung ................................56
3.6.3.3 Leistung bei unsymmetrischer Last ........................................57
3.7 Technische Ausführungen von Transformatoren ........................................ 59
3.7.1 Wirbelstromunterdrückung in Transformatoren ............................... 59
3.7.2 Manteltransformator ......................................................................... 60
3.7.3 Kerntransformator ............................................................................ 60
3.7.4. Ringkerntransformator ..................................................................... 61
3.7.5 Der Spartransformator ...................................................................... 61
3.7.6 Der Trenntransformator .................................................................... 62
3.7.7 Transformator mit Mittelanzapfung ................................................. 63
3.7.8 Drehstromtransformatoren ............................................................... 63
3.8 Magnetische Abschirmung .......................................................................... 64
3.9 Drosselwirkung von Spulen ......................................................................... 65
3.10 Übungsaufgaben zu Kapitel 3 ...................................................................... 68
(cid:1) Aufgabe 3.1 .............................................................................................. 68
(cid:1) Aufgabe 3.2 .............................................................................................. 68
(cid:1) Aufgabe 3.3 .............................................................................................. 69
(cid:1) Aufgabe 3.4 .............................................................................................. 70
(cid:1) Aufgabe 3.5 .............................................................................................. 70
(cid:1) Aufgabe 3.6 .............................................................................................. 71
(cid:1) Aufgabe 3.7 .............................................................................................. 71
Inhaltsverzeichnis IX
4 Elektrische Maschinen..............................................................................................73
4.1 Zählpfeilsysteme .......................................................................................... 73
4.2 Elektromechanische Energiewandler ........................................................... 73
4.2.1 Energiedichte des elektrischen Feldes .............................................. 73
4.2.2 Energiedichte des magnetischen Feldes ........................................... 74
4.3 Kraft und Drehmomenterzeugung in einer elektrischen Maschine ............. 74
4.4 Der Linearmotor .......................................................................................... 76
4.4.1 Linearmotor in Anwendungen .......................................................... 77
4.5 Die Drehfeldmaschine ................................................................................. 78
4.5.1 Konstruktionsbegriffe elektrischer Maschinen ................................. 78
4.6 Die Asynchronmaschine .............................................................................. 81
4.6.1 Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer ..... 83
4.6.2 Ortskurve des Ständerstromes der Asynchronmaschine ................... 85
4.6.3 Betriebszustände der Asynchronmaschine ....................................... 89
4.6.3.1 Der optimale Betriebspunkt der Asynchronmaschine ............90
4.6.4 Drehmoment und Leistung der Asynchronmaschine ....................... 91
4.6.5 Drehzahlstellung der Asynchronmaschine ....................................... 97
4.6.5.1 Wechselrichter.......................................................................100
4.6.5.2 Pulsgesteuerter Wechselrichter.............................................101
4.6.6 Übungsaufgaben zur Asynchronmaschine ....................................... 104
(cid:1) Aufgabe 4.1 ................................................................................... 104
(cid:1) Aufgabe 4.2 ................................................................................... 105
(cid:1) Aufgabe 4.3 ................................................................................... 106
(cid:1) Aufgabe 4.4 ................................................................................... 107
(cid:1) Aufgabe 4.5 ................................................................................... 107
(cid:1) Aufgabe 4.6 ................................................................................... 107
(cid:1) Aufgabe 4.7 ................................................................................... 108
(cid:1) Aufgabe 4.8 ................................................................................... 108
(cid:1) Aufgabe 4.9 ................................................................................... 109
4.7 Die Synchronmaschine ................................................................................ 110
4.7.1 Das Ersatzschaltbild der Synchronmaschine .................................... 111
4.7.2 Betriebszustände der Synchronmaschine ......................................... 112
4.7.3 Leistung und Drehmoment der Synchronmaschine .......................... 114
4.7.4 Klauenpolsynchrongenerator (Lichtmaschine) ................................. 115
4.8 Die Gleichstrommaschine ............................................................................ 116
4.8.1 Generatorbetrieb ............................................................................... 116
4.8.2 Motorbetrieb ..................................................................................... 117
4.9 Einphasen-Kommutatormotor ..................................................................... 120
4.10 Leistungsfluss in elektrischen Maschinen ................................................... 121
4.11 Der Reluktanzmotor ..................................................................................... 122
4.12 Asynchron-Reluktanzmotor ......................................................................... 126
4.13 Transversalflussmotor .................................................................................. 127
4.14 Übungsaufgaben zu Synchron- und Gleichstrommaschine ......................... 129
(cid:1) Aufgabe 4.10 ............................................................................................ 129
(cid:1) Aufgabe 4.11 ............................................................................................ 130
(cid:1) Aufgabe 4.12 ............................................................................................ 130
X Inhaltsverzeichnis
(cid:1) Aufgabe 4.13 ............................................................................................ 131
(cid:1) Aufgabe 4.14 ............................................................................................ 131
(cid:1) Aufgabe 4.15 ............................................................................................ 132
5 Antriebssysteme......................................................................................................133
5.1 Antriebskonzept einer E-Lok ....................................................................... 133
5.2 Die Magnetschwebebahn ............................................................................. 137
5.2.1 Der Transrapid .................................................................................. 137
5.2.2 Die Japanische Magnetschwebebahn „Supraleitender Maglev“ ...... 138
5.3 Übungsaufgabe zu Kapitel 5 ........................................................................ 141
(cid:1) Aufgabe 5.1 .............................................................................................. 141
5.4 Allgemeine Prüfungsfragen ......................................................................... 142
6 Anhang.....................................................................................................................145
6.1 Komplexe Leistung ...................................................................................... 145
6.2 Ortskurven ................................................................................................... 145
6.3 Lösungen zu den Übungsaufgaben .............................................................. 151
Lösungen zu 5.4 Allgemeine Prüfungsfragen ............................................. 174
6.4 Werkstoffdaten ............................................................................................ 175
Periodensystem der Elemente .............................................................................. 176
Literaturverzeichnis .....................................................................................................179
Sachwortverzeichnis .................................................................................................. 181
Formelzeichen und Abkürzungen XI
Formelzeichen und Abkürzungen
I, U Komplexe Effektivwertzeiger von Strom und Spannung
I, U Effektivwerte, Gleichstromwerte, Betrag der komplexen Effektiv-
wertzeiger
i(t), u(t) Zeitlich veränderliche reelle Ströme und Spannungen
(cid:7)i,u(cid:7) Amplitude zeitlich veränderlicher Ströme und Spannungen
(cid:7)
i (cid:32) 2(cid:152)I Für sinusförmige Ströme und Spannungen

(cid:7)
u(cid:32) 2(cid:152)U
A Ampere, Einheit des elektrischen Stroms
C Coulomb, Einheit der elektrischen Ladung
V Volt, Einheit der elektrischen Spannung
(cid:41) Magnetischer Fluss (Spitzenwert)
(cid:71) (cid:71)
B,H Magnetische Flussdichte, magnetische Feldstärke
T = Vs/m² Tesla, Einheit der Flussdichte
(cid:52) Magnetische Durchflutung (magnetische Spannung)
(cid:71)
E Elektrische Feldstärke
R Elektrischer Widerstand
(cid:85) Spezifischer elektrischer Widerstand
G Leitwert
(cid:86) Streuziffer
(cid:79) Wellenlänge
(cid:58) Einheit des elektrischen Widerstandes Ohm
R Reluktanz, magnetischer Widerstand
m
µ = µ (cid:152) µ Magnetische Permeabilität
r 0
µ0 1,256 (cid:152) 10–6 Vs/Am
(cid:72) = (cid:72) (cid:152) (cid:72) Dielektrizitätszahl
0
(cid:72) 8,86 (cid:152) 10–12 F/m
0
(cid:74) Gravitationskonstante 6,674 10–11 m3/kgs2
C Kapazität
F = As/V Farad, Einheit der Kapazität
L Induktivität