Optimierung von Wirkungsgrad und elektromagnetisch erzeugten Geräuschen bei elektrischen Antrieben in Kraftfahrzeugen Dieter Gerling Audi-Forum elektrische Kleinantriebe im Fahrzeug Ingolstadt, 02.11.2015 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Inhalt • Einleitung • Vergleich von E-Maschinen mit konzentrierten Spulen und verteilter Wicklung • Beispiel 1: ISG (PM-Maschine) • Beispiel 2: ISCAD (Asynchronmaschine) • Zusammenfassung 2 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Einleitung • Wesentliche Anforderungen an E-Antriebe im Kfz Kosten Wirkungsgrad • Geräusch, Gewicht, etc. Wichtigkeit einzelner Eigenschaften hängt von der Anwendung ab 3 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Distributed Winding Concentrated Winding advantages advantages nearly sinusoidal air-gap field compact design simple manufacturing short end winding with low complexity low copper losses disadvantages high number of slots per pole large end windings high parasitic end winding effects high copper losses high production costs disadvantages 4 high number of space harmonics with high amplitude (resulting in rotor losses, vibration and noise) Wirkungsgrad und akustische Geräusche Distributed Winding Concentrated Winding working harmonic working harmonic radial forces noise losses 5 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISG (PM-Maschine) 3-Teeth/2-Poles FSCW PM ISG Machine Torque [Nm] required torque delivered torque Area characterized with high rotor losses and temperature problems speed [rpm] nb Actual Machine Problems: nmax As result of high harmonic contents, the 3-Teeth/2-Poles FSCW is characterized with high rotor losses and thermal problems at high speed/power applications 6 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISG (PM-Maschine) Alternative Solution New 18-Teeth/10-Poles Winding Tooth concentrated coils Conventional 3-Teeth/2-Poles Winding Two winding systems: A1B1C1 & A2B2C2 Tooth concentrated coils Double layer, +A +B +C 7 Three-phase machine with star&delta winding combination Wirkungsgrad und akustische Geräusche MMF [ p.u. ] Beispiel 1: ISG (PM-Maschine) MMF Characteristics 1 0 -1 0 MMF [ p.u. ] 1. Conventional 3T/2P Winding 1 2 3 4 theta [rad. degree] 5 6 1 2 3 4 theta [rad. degree] 5 6 1 0 -1 0 5*(3T/2P) 18T/10P 1 MMF [ p.u. ] 2. New 18T/10P Winding 0.8 0.6 0.4 0.2 8 0 0 5 10 15 Harmonic Order 20 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISG (PM-Maschine) Winding Factor 100 Winding factor [ % ] 5*(3T/2P) 18T/10P 80 Conventional 3-Teeth/2-Poles Winding 60 86.6% winding factor, high harmonic contents 40 New 18-Teeth/10-Poles Winding 76% winding factor, low harmonic contents 20 0 0 5 10 15 Harmonic Order 20 9 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISG (PM-Maschine) Requirements Volume Data Stator outer diameter, Rotor outer diameter, Rotor shaft diameter, Active length, Gap length, Number of pole pairs, Da_s = 300mm Da_r = 240mm Da_sh = 200mm Lstk = 63mm gap = 1mm p = 10 Electromechanical Data - Maximal torque, Maximal current, Maximal speed, Nominal speed, DC battery voltage, Tmax = 270Nm Imax = 250Arms n_max = 6000 rpm n_n = 2000 rpm U_DC = 300 V Tmax Pmax Torque, Power - 2000 rpm 10 6000 rpm Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISG (PM-Maschine) Electromagnetic Torque I =250Arms, delta=25° (base speed) I =250Arms, delta=70° (field weakening) 320 180 150 Conv. 30T/20P 120 New 36T/20P T [Nm] T [Nm] 240 160 90 Conv. 30T/20P 60 New 36T/20P 80 30 Conventional 30T/20P Design Proposed 36T/20P Design 0 torque120 ripple180 0 High60 240 rotor position [ el. degree ] 0 300 0 360 Stator/Rotor skewing is required - High manufacturing costs - Effective torque reduction about 5% Low 60 torque120 ripple180 240 rotor position [ el. degree ] No skewing is required 11 300 360 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISG (PM-Maschine) Field Weakening Capability Torque-speed, I = 250Arms 300 80 Conv. 30T/20P New 36T/20P Pmech [kW] 250 T [Nm] Pmech-speed, I = 250Arms 200 150 100 60 Conv. 30T/20P New 36T/20P 40 20 50 0 0 2000 4000 speed [rpm] 6000 8000 0 0 2000 4000 speed [rpm] 6000 Proposed 36T/20P Design Increase of power by 13% 12 8000 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISG (PM-Maschine) Air-Gap Flux Density and Radial Forces Air-gap flux-density 2 F [ N/m² ] 30T20P 36T20P 1 B [T] 10 0 -1 -2 0 50 100 theta [degree] F [ N/m² ] B [T] 30T20P 36T20P 0.5 0 5 10 f rad (θ s , t ) = 15 20 Space Harmonics 1 25 30 Br , PM (θ s , t ) + Br , S (θ s , t ) 2µ0 0 50 x 10 100 theta [degree] 150 5 30T20P 36T20P 2 1 0 35 0 5 10 15 20 Space Harmonics 25 30 2 Conv. 30T/20P: m = 0,10, 20, 30 ∞ = ∑ m Fˆrad ⋅ cos ( m ⋅ θ s − ωmt − ϕ m ) m= 0 30T20P 36T20P 5 3 1 0 Magnetic radial forces 5 -5 0 150 1.5 x 10 New 36T/20P: m = 0, 16, 20, (4) 13 35 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISG (PM-Maschine) Radial Forces x 10 mode-0 5 2.4 2.3 2.2 0 5 10 time [ms] 15 20 15000 -5 30T20P 36T20P 4 5000 10 20 30 pRx×f f 40 mode-20 4 -10 0 10000 0 x 10 0 F [ N/m² ] F [ N/m² ] 5 30T20P 36T20P 2.5 F [ N/m² ] F [ N/m² ] 2.6 50 14 10 time [ms] 15 4 30T20P 36T20P 3 2 1 0 [ [Hz] Hz ] x 10 5 30T20P 36T20P 20 10 20 pxR × f f 30 [Hz]] [ Hz 40 50 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISG (PM-Maschine) Magnet Losses New 36T/20P Design Conventional 30T/20P Design Proposed 36T/20P Design No magnet segmentation necessary 15 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISCAD (Asynchronmaschine) Die-Casted Stator “Winding” 16 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISCAD (Asynchronmaschine) Electrical Machine Inverter Wound Copper Coils Poor Utilization High Thermal Resistance Complex Production HV Ratings (600 V) 3 Half Bridges PCB/DBC Isolated Heatsink Electrical System DC + Low Wiring Cross-Sections Insulation Monitoring 2-Pole Circuit Breaker Electric Field Shielding 17 - Battery Voltage up to 400 V Many Cells in Series Few Paths in Parallel Isolated BMS Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISCAD (Asynchronmaschine) Electrical Machine Inverter Die-Cast Alu Bars Perfect Utilization Direct Cooling via Ring Minimum Production Cost LV Ratings (below 60 V) 60 Half Bridges Supply of Every Phase Stator Bars as Heatsink + Electrical System DC Large Wiring Cross-Sections Less Safety Effort Magnetic Field Shielding Aluminum Instead of Copper 30% cost (June 2015) 30% mass density 18 Battery Voltage below 60 V Few Cells in Series Many Paths in Parallel High Redundancy Non-Isolated DCDC for 12 V Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISCAD (Asynchronmaschine) Inverter Electrical Machine MOSFETs instead of IGBTs Synchronous Rectifying RDSon instead of constant VF Pole Pair Switching Torque/Speed Scaling Multiple Efficiency Maps “Electric gearbox” Excellent partial load efficiency ↓ 19 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISCAD (Asynchronmaschine) Evaluation of Machine and Inverter Losses ↓ ISCAD Improves Efficiency by 15% to 20% 20 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISCAD (Asynchronmaschine) MMF Characteristics (18 slots per pole pair) 1.5 Conv. Winding New Winding 1 0.5 MMF [ p.u. ] MMF [ p.u. ] 1 0 -0.5 0.8 0.6 0.4 0.2 -1 -1.5 0 Conv. Winding New Winding 1 2 3 4 theta [rad. degree] 5 0 0 6 21 5 10 15 Space Harmonics 20 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISCAD (Asynchronmaschine) electrical machine: benchmark with Tesla Model S ISCAD ASM Tesla ASM 375 V Comparison of results * Total Joule loses for the stator cage winding including skin and proximity effect 22 Wirkungsgrad und akustische Geräusche Beispiel 1: ISCAD (Asynchronmaschine) Stator-slot 700 600 Tesla ASM T [ °C ] T=600Nm, n=5300 rpm, hc = 2000W/(Km²) ISCAD ASM 500 400 ISCAD-asm 300 tesla-asm 200 100 0 0 40 80 120 160 200 240 160 200 240 time [s] Rotor-slot 600 ISCAD-asm Losses: PLosses ,Tesla PLosses , ISCAD T [ °C ] 500 =2 tesla-asm 400 300 200 100 Loss density: * Losses ,Tesla * Losses , ISCAD p p 0 ≈4 23 0 40 80 120 time [s] Wirkungsgrad und akustische Geräusche Zusammenfassung Die Anforderungen nach Kosten, Wirkungsgrad und Geräusch/Gewicht/etc. müssen sich nicht widersprechen Wegen der hohen Anforderungen muss die Optimierung applikationsspezifisch durchgeführt werden Beispiel 1: ISG als PM-Motor Beispiel 2: ISCAD als Asynchronmaschine 24
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