9. Elektrische Maschinen

Die elektrische Maschine repräsentiert physikalisch einen Energiewandler. Dabei wird zwischen nicht rotierenden elektrischen Maschinen und rotierenden elektrischen Maschinen mit bewegenden Hauptelementen unterschieden. Allen elektrischen Maschinen ist gemeinsam, dass sie in ihrem Aufbau über einen magnetischen Kreis verfügen, der für die Funktionsweise wesentlich ist.¹

Zu der Gruppe der nicht rotierenden elektrischen Maschinen zählen die Transformatoren. Bei ihnen spielt die magnetische Kraftwirkung eine untergeordnete beziehungsweise unerwünschte Rolle, die in Fehlerfällen relevant werden kann.

Bei dem wesentlich größeren und im Folgenden ausschließlich dargestellten Gebiet der elektrischen Maschinen mit bewegenden Hauptelementen sind die magnetischen Kraftwirkungen von zentraler Bedeutung. Bewegungen können dabei translatorisch oder rotierend erfolgen. Rotierende elektrische Maschinen sind durch eine Vielzahl verschiedener Bauformen und Einsatzbereiche geprägt. Sie dienen der Umsetzung elektrischer Energie in mechanische Energie oder umgekehrt. Wird elektrische Energie in mechanische Energie umgesetzt, wird von einem „Elektromotor“ gesprochen. Bei der Energiewandlung in Gegenrichtung – von mechanischer Energie in elektrische Energie – ist von einem „elektrischen Generator“ die Rede. Elektrische Maschinen können als Motor sowie als Generator betrieben werden. Die konkrete Funktion wird durch den Betriebsbereich der Maschine bestimmt.

Bei rotierenden elektrischen Maschinen, in denen der magnetische Fluss im Luftspalt radial in der Drehebene und damit senkrecht zur Drehachse verläuft, handelt es sich um Radialflussmaschinen. Die magnetische Flussführung ist der formgebende Aspekt des Aufbaus. Magnetisch aktive Elemente der elektrischen Maschine, sowohl ruhend als auch rotierend, bestehen meist aus Paketen geschichteten Elektroblechs zur Flussführung. In den dort in axialer Richtung verlaufenden Nuten sind zur Flusserzeugung oder -verstärkung Wicklungssysteme eingebracht. Je nach Topologie kann eines dieser Systeme durch eine Anordnung aus Permanentmagneten (PM) ersetzt werden. An den beiden axialen Enden der Maschine sind Verbindungen der in den Nuten liegenden elektrischen Leiter notwendig – die sogenannten Wickelköpfe, die nicht zur Drehmomentbildung beitragen und die elektrische Maschine axial verlängern. Die Anzahl der magnetischen Pole der elektrischen Maschine wird durch die Anordnung der Wicklung bestimmt. Der Aktivteil der Maschine ist fast vollständig mit Stahl und Kupfer gefüllt, mit einem kleinen Anteil von Isolierstoffen. Die vorhandene Querschnittsfläche muss auf kupfergefüllte stromführende Nuten sowie dazwischenliegende, den magnetischen Fluss führende Zähne sinnvoll verteilt werden. Eine Vergrößerung der Nutbreite vermindert die Zahnbreite und umgekehrt. Im ruhenden oder rotierenden Teil können die Nuten geschrägt zur Maschinenachse ausgeführt werden, um ein Ausrichten und damit Rasten aufgrund magnetischer Kräfte zu vermeiden.

Einen anderen Ansatz verfolgen die Konzepte der Transversalflussmaschine (TFM) und der Axialflussmaschine (AFM). Bei diesen elektrischen Maschinen verläuft der magnetische Fluss nicht mehr nur in einer Ebene, sondern auf dreidimensionalen Pfaden durch die Maschinenhauptelemente. Bei Transversalflussmaschinen, die wie in Abb. 9.1a als rotierende elektrische Maschine ausgeführt sind, wird das Wicklungssystem durch einfache Ringwicklungen gebildet. Die Ausrichtung der Windungen entspricht der Bewegungsrichtung. Diskret aufgebaute U-förmige Flussleitstücke führen den Fluss und bilden die magnetischen Pole der Maschine. Diese Anordnung führt zu einer geometrischen Entkopplung der stromführenden und der magnetisch flussführenden Kreise, die dadurch unabhängig voneinander dimensioniert werden können. Der Rotor ist typischerweise mit Permanentmagneten bestückt, Reluktanzrotoren sind möglich. Ein Vorteil der TFM ist der Wegfall der Wickelköpfe. Dadurch sind kleine Polteilungen am Umfang der Maschine realisierbar. Dies führt zu kleinen Drehzahlen und einem großen Drehmoment. Transversalflussmaschinen weisen daher einen großen Durchmesser auf und sind axial kürzer als Radialflussmaschinen gebaut. In der Elektromobilität können sie als Direktantrieb eingesetzt werden und erlauben den Wegfall von Getrieben. Nachteile von Transversalflussmaschinen ergeben sich durch die aufwendige dreidimensionale Flussführung, die mechanische Lagerkonstruktion und die hohe Drehmomentwelligkeit.

Bei der in Abb. 9.1b dargestellten Axialflussmaschine werden die Wicklungen üblicherweise als Einzelspulen ausgeführt. Der Rotor lässt sich mit Permanentmagneten oder wie bei einer Asynchronmaschine als Käfig ausführen. Ein zweiteiliger Rotor ist vorteilhaft, um Axialkräfte auszugleichen. Die Maschine kann mit mehreren axial gestaffelten Statoren und Rotorscheiben aufgebaut werden. Die Flussführung erfolgt im Bereich des Stators axial. Im Joch des Rotors werden die Feldlinien tangential geschlossen.

Grundsätzlich können elektrische Maschinen als Synchronmaschine (SM) oder als Asynchronmaschine (ASM) ausgeführt werden. Bei den in der Elektromobilität überwiegend anzutreffenden Radialflussmaschinen ist der Unterschied im Rotor zu finden. Bei der Synchronmaschine erzeugt der Rotor ein zeitlich konstantes Magnetfeld, das synchron mit dem vom Stator erzeugten Drehfeld rotiert. Bei der permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) wird – wie in Abb. 9.1c dargestellt – das Rotorfeld von Permanentmagneten erzeugt, während dies bei der in Abb. 9.1d gezeigten fremderregten Synchronmaschine (FSM) durch eine im Rotor eingebrachte Erregerwicklung geschieht, die über Schleifringe oder kontaktlos mit einem Gleichstrom gespeist wird. Bei der Asynchronmaschine kreist der Rotor etwas langsamer und damit asynchron zum umlaufenden Drehfeld des Stators. Die Differenz der beiden Drehgeschwindigkeiten wird über den Schlupf ausgedrückt. Kreist der Rotor langsamer als das Drehfeld, so ändert sich der magnetische Fluss zeitlich – was eine Spannung induziert, die wiederum einen Strom in den Rotorwicklungen hervorruft.

Permanentmagneterregte elektrische Maschinen besitzen in weiten Betriebsbereichen die höchsten Wirkungsgrade und ermöglichen die größten Leistungsdichten. Bedingt durch moderne Hochenergiepermanentmagnete, wie Seltenerdmagnete mit einer Legierung aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), sind sehr kompakte Konstruktionen möglich. Trotz der hohen Werkstoffpreise für diese Magnete gibt es keine Alternative, wenn Leistungsdichte das Hauptkriterium bildet. Falls aus Kostengründen vom Einsatz der NdFeB-Magneten abgesehen werden soll, können Kompromisse bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad eingegangen werden. Wird die elektrische Maschine mit blockförmigen anstelle von sinusförmigen Strömen gespeist, so handelt es sich um eine permanentmagneterregte bürstenlose Gleichstrommaschine (BLDC). Die Magnetkreistopologie aus Abb. 9.1c ist in beiden Fällen identisch. Details in der Gestaltung des Magnetkreises sorgen für die effiziente Funktion beider Maschinen. Teilweise werden auch beide Betriebsarten verwendet. So wird im Sinusbetrieb der Antrieb bei kleinen Drehzahlen geführt und dann bei höheren Drehzahlen in den Blockbetrieb gewechselt. Dies hat die Vorteile des ruckfreien Anfahrens beziehungsweise Fahrens ohne Drehmomentschwankungen bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten und eines hohen Wirkungsgrads der Leistungselektronik bei höheren Geschwindigkeiten. Ein etwas schlechterer Wirkungsgrad der Maschine muss bei dieser Betriebsart in Kauf genommen werden. Permanentmagneterregte Maschinen lassen sich für einen großen Drehzahlbereich mit hohen Wirkungsgraden und hohen Drehmomentdichten dimensionieren. Sie sind damit gut als Direktantrieb ohne mechanisches Getriebe geeignet, aber auch für Hochdrehzahlkonzepte mit Getriebe. In der Elektromobilität kommen größtenteils permanentmagneterregte elektrische Maschinen zum Einsatz, da sie gute Wirkungsgrade und durch die Verwendung der Hochenergiepermanentmagnete eine sehr große Leistungsdichte aufweisen. Als Hauptantrieb werden meist Innenrotorkonstruktionen verwendet. Außenläufer bilden die Ausnahme. Bei Radnabenmotoren kann diese Konstruktionsvariante vorteilhaft sein. In der Regel befinden sich die Permanentmagnetsysteme im Rotor des Motors, wie in Abb. 9.2 dargestellt. Von links begonnen, zeigt die Abb. 9.2a auf der Oberfläche des Rotors aufgebrachte Magnete, Abb. 9.2b im Rotoreisen eingebettete Magnete, Abb. 9.2c Magnetsysteme in Sammleranordnung mit Flusskonzentrator, um den Luftspaltfluss zu vergrößern, Abb. 9.2d V-förmig eingelassene Magnete sowie Abb. 9.2e Blechschnitt mit Flusssperren zur Erhöhung des Reluktanzanteils und Permanentmagneten. Mit allen diesen Varianten lässt sich das Luftspaltfeld der elektrischen Maschine anpassen, so dass der Flussverlauf beziehungsweise die induzierte Spannung genau zum speisenden Strom passen, um ein großes und zeitlich konstantes Drehmoment zu erzeugen.

Durch die Permanentmagnete wird ein magnetisches Feld im Rotor erzeugt. Um höhere Drehzahlen zu erreichen, muss dieses Feld im sogenannten Feldschwächbereich aktiv durch zusätzliche Ströme geschwächt werden. Beim Einsatz als Traktionsantrieb dreht sich der Rotor auch weiter, wenn das Fahrzeug rollt und die Maschine nicht aktiv über eine Kupplung vom restlichen Antriebsstrang getrennt wird. Durch die Bewegung der Magnete entlang der Statornuten, in denen die Leiter der Wicklung eingebracht sind, werden durch im Statoreisen induzierte Wirbelströme Schleppmomente und damit sogenannte Schleppverluste erzeugt. Im Fehlerfall kann das Feld des Magnetrotors weiterhin eine Spannung in den Wicklungen induzieren. Diese möglicherweise große Spannung kann zu Schäden der Leistungselektronik führen. Bei der FSM lässt sich die Bildung von Schleppmomenten und hohen induzierten Spannungen im Fehlerfall durch die Abschaltung der Rotorspeisung verhindern.

Die Asynchronmaschine (ASM) verfügt, wie in Abb. 9.1e dargestellt, prinzipiell über den gleichen Statoraufbau wie die SM, unterscheidet sich jedoch im Rotor. Im Gegensatz zur SM haben ASM keine Permanentmagnete und keine mit Gleichstrom gespeiste Erregerwicklung zur Erzeugung des Rotorfeldes. Der Rotor einer ASM kann als Schleifringläufer oder als Käfigläufer beziehungsweise Kurzschlussläufer ausgeführt werden. Der Schleifringläufer trägt ebenso wie der Stator eine Drehstromwicklung. Die Enden der Rotorwicklung werden über Schleifringe herausgeführt und mittels Bürsten kontaktiert. Die Rotorwicklung lässt sich entweder über die Bürsten – gegebenenfalls über einen zusätzlichen Vorwiderstand – kurzschließen oder mit Zusatzspannungen speisen. Dadurch lässt sich die Drehzahl verstellen. Im Bereich der Traktionsmaschinen dominieren die Käfigläufer-ASM. Der Käfigläufer hat in den Nuten einzelne Stäbe, die an den Stirnseiten über Kurzschlussringe leitend verbunden werden. Es besteht kein Zugang mehr zur Rotorwicklung und damit keine Möglichkeit zur direkten Beeinflussung der Drehzahl. Der Rotorkäfig wird häufig aus Aluminium im Druckgussverfahren hergestellt, was verglichen mit der PMSM zu geringeren Material- und Produktionskosten der Maschine führt. Alternativ kann zur Verringerung der Stromwärmeverluste im Rotorkäfig ebendieser aus Kupfer hergestellt werden. Kupferdruckgussverfahren sind im Leistungsbereich bis etwa 150 kW möglich.

Die Erzeugung des Rotorfeldes der ASM unterscheidet sich im Vergleich zur SM. Das grundlegende physikalische Prinzip der ASM ist die elektromagnetische Induktion, die ihr auch den Namen „Induktionsmaschine“ verleiht. Wird eine Drehstromwicklung des Stators einer ASM mit einem Strom der Frequenz f₁ gespeist, ergeben sich symmetrische Ströme, die im Luftspalt der Maschine ein Drehfeld mit Synchrondrehzahl n₁ erzeugen. Dieses Drehfeld induziert aufgrund der elektromagnetischen Induktion in den Leitern der Rotorwicklung Spannungen und Ströme mit der Frequenz f₂. Es entsteht ein Rotordrehfeld, das sich relativ zum Rotor mit der Differenzdrehzahl n₂ und relativ zum Stator mit der Drehzahl n₁ = n + n₂ bewegt. Das vom Rotor erzeugte Drehfeld hat somit bezüglich des Stators wieder die Synchrondrehzahl. Gemäß der Lenz’schen Regel versuchen die Rotorströme, ihrer Entstehungsursache – nämlich der Relativbewegung zwischen Stator und Rotor – entgegenzuwirken. Die Rotorströme bilden mit dem Statordrehfeld, das mit synchroner Drehzahl umläuft, deshalb Drehmomente, die den Rotor in Richtung des Statordrehfeldes antreiben und seine Drehzahl derjenigen des Statordrehfeldes anzunähern suchen. Der Rotor kann die Synchrondrehzahl jedoch nie ganz erreichen, da in diesem Fall die Induktionswirkung aufgrund der fehlenden Relativbewegung des Rotors gegen das Statordrehfeld nicht mehr gegeben wäre. Der Rotor zeigt also einen gewissen Schlupf s gegen das Statordrehfeld – er läuft asynchron. Je größer das vom Rotor verlangte Drehmoment ist, desto größer wird der Schlupf. Im Generatorbetrieb der Maschine ist die Drehzahl n des Rotors größer als die Sychnrondrehzahl des umlaufenden Statordrehfeldes. Auch hier versuchen die durch die Relativbewegung induzierten Rotorströme der Lenz’schen Regel entsprechend ihrer Entstehungsursache entgegenzuwirken – wodurch sie zu einem negativen Drehmoment führen.

Der Statorstrom in der ASM hat demnach neben der Erzeugung des Statordrehfeldes auch die Aufgabe, den Rotor in jedem Betriebspunkt der Maschine zu magnetisieren. Der daraus in jedem Betriebspunkt resultierende Blindleistungsbedarf der Maschine führt, verglichen mit der SM, zu niedrigeren Wirkungsgraden. Die Diskrepanz des Wirkungsgrades wächst beim Vergleich der ASM mit der PMSM aufgrund der in der PMSM nicht auftretenden Stromwärmeverluste im Rotor. Größere Einbauvolumen und damit schlechtere Leistungsdichten, vor allem im Teillastbereich der Maschine, sind daher zu berücksichtigen. Erst für höhere Drehzahlen lassen sich ähnliche oder sogar höhere Wirkungsgrade im Vergleich zu PMSM erzielen, da bei der ASM kein aktiver Feldschwächestrom benötigt wird.

Ein Vorteil der von der Statorwicklung abhängigen Erregung der ASM ist die Vermeidung von Verlustmomenten beim Mitschleppen der Maschine im Zuge hoher Drehzahlen. In einem solchen Betriebsfall können Schleppmomente und auch hohe induzierte Spannungen durch das Abschalten der Drehstromversorgung des Stators verhindert werden. Weitere Vorteile der ASM im Vergleich zur PMSM sind die in der Serienfertigung niedrigeren Produktions- und Materialkosten sowie ihre hohe Überlastfähigkeit. Letztgenannte ist dabei den hohen zulässigen Temperaturen im Rotor von mehr als 200 °C geschuldet.

Weitere Arten elektrischer Maschinen spielen in der Elektromobilität aktuell nur eine untergeordnete Rolle. Die in Abb. 9.1f gezeigte Gleichstrommaschine (GM) mit mechanischem Kommutator besitzt heutzutage für den Einsatz als Hauptantrieb keine Bedeutung mehr. Sie findet sich vereinzelt noch in fahrbaren Arbeitsmaschinen kleinerer Leistungen wieder. Die geschaltete Reluktanzmaschine (GRM) aus Abb. 9.1g zeichnet sich durch einen einfachen und robusten Aufbau ohne Magnete und Rotorwicklung aus. Sowohl Stator als auch Rotor besitzen ausgeprägte Zähne. Im Gegensatz zu den bisher vorgestellten elektrischen Maschinen entsteht das Drehmoment nicht zu wesentlichen Anteilen durch die Lorentzkraft, sondern durch die Reluktanzkraft. Wegen des vergleichsweise einfachen Aufbaus werden für den Rotor weder Wicklungssystem oder spezielle Werkstoffe für Dauermagnete noch Materialien wie seltene Erden benötigt. Nachteilig ist vor allem das pulsierende Drehmoment, das sich insbesondere bei kleiner Statorpolzahl auswirkt. Weitere Nachteile sind pulsierende radiale Kräfte zwischen Rotor und Stator, die die Lager belasten und für eine vergleichsweise hohe Geräuschentwicklung verantwortlich sind. Außerdem ist für den Aufbau des Drehfeldes, wie bei der Asynchronmaschine, ein Magnetisierungsblindstrom erforderlich, wodurch der Scheinleistungsbedarf des Umrichters steigt. Für die Praxis interessanter ist die sogenannte Synchronreluktanzmaschine (SynRM), die in Abb. 9.1h dargestellt ist. Ihr Rotor weist eine besondere Blechschnittgeometrie mit Flussleit- und Flusssperrabschnitten auf. Durch die Anordnung der wannenförmigen Flusssperren entstehen entlang des Rotorumfangs Vorzugsrichtungen aufgrund unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit. Um die Leistungsdichte zu erhöhen, können einzelne Wannen mit Permanentmagneten gefüllt werden. Teilweise werden anstelle von Hochenergiemagneten kostengünstigere Ferritmagnete eingesetzt. Der Statoraufbau und die Statorbestromung ist identisch mit denen der SM und ASM.

An die Traktionsmaschine eines elektrischen Antriebsstrangs werden umfangreiche Anforderungen gestellt.² Um eine hohe Reichweite des Fahrzeugs zu ermöglichen, muss die Antriebsmaschine leicht sein und möglichst kompakte Abmessungen besitzen. Zudem ist der im Fahrzeug zur Verfügung stehende Bauraum limitiert. Insgesamt führt das zur Forderung einer hohen Leistungsdichte. Jedoch lässt sich die Leistungsdichte einer elektrischen Maschine nicht beliebig steigern, da mit ihrer Zunahme auch die Verlustleistungsdichte steigt. Damit führt die maximal abführbare Verlustleistung zu einer thermischen Auslegungsgrenze. Zur Reduzierung der Verlustleistung und zur effizienten Verwendung der im Fahrzeug gespeicherten elektrischen Energie muss die Maschine einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen. Elektrische Maschinen in Traktionsantrieben werden im Vergleich zu zahlreichen industriellen Einsätzen nicht nur in einem Arbeitspunkt betrieben. Daher ist für die Traktionsmaschine nicht der maximal erreichbare Wirkungsgrad entscheidend, sondern der gemittelte Wirkungsgrad im Verlauf einer typischen Fahrt.³ Die Antriebsstrangkomponenten „Energiespeicher“, „Leistungselektronik“, „elektrische Maschine“ und „Getriebe“ bilden ein System mit gegenseitigen Abhängigkeiten und Wechselwirkungen. Dadurch entstehen zusätzliche Randbedingungen für die Entwicklung jener einzelnen Bestandteile. Eine separate Auslegung und Optimierung der Einzelkomponenten ist dementsprechend nicht zielführend. Durch eine ganzheitliche Betrachtung und Berücksichtigung von Wechselwirkungen dieser Komponenten ist es möglich, die Leistungsfähigkeit des gesamten Triebstrangs zu verbessern.⁴ Einzelne Aspekte lassen sich im Rahmen der Auslegung nicht getrennt voneinander betrachten, da sie in gegenseitiger Abhängigkeit voneinander stehen und die Optimierung eines dieser Kriterien zwangsläufig zu Nachteilen eines anderen Kriteriums führt. Somit ist ein Vergleich der oben beschriebenen Topologien der elektrischen Maschinen oder eine Bewertung verschiedener Maschinentopologien nicht allgemein möglich – und auch nicht zielführend. Vielmehr ist die elektrische Maschine in ihrer Anwendung zu bewerten sowie entsprechend der konkreten Anforderungen auszuwählen und auszulegen.

Der in elektrischen Maschinen auftretende magnetische Fluss wird – wie zuvor beschrieben – in einem magnetischen Kreis gezielt geführt. Dies erfolgt durch Materialien, die den magnetischen Fluss gut führen (etwa Elektroband, das in Abschn. 9.1 detailliert beschrieben wird) oder verstärken können (beispielsweise Permanentmagnete, die in Abschn. 9.2 betrachtet werden). Elemente dieses magnetischen Kreises stellen den Stator und den Rotor dar. Außerdem bestehen elektrische Maschinen aus verschiedenartig angeordneten Wicklungen, die von einem elektrischen Strom durchflossen werden und mit denen sich Abschn. 9.3 befasst. Zur elektrischen Abschirmung der stromdurchflossenen Elemente gegeneinander und gegenüber der äußeren Umgebung weisen elektrische Maschinen Isolationsbereiche auf, wie sie in Abschn. 9.4 beschrieben werden. Verschiedenen Kühlmöglichkeiten und -systemen widmet sich indes Abschn. 9.5. Zur mechanischen Stabilisierung der Maschine sowie eventuell zur Führung von beweglichen Elementen existieren unterschiedliche mechanische Konstruktionselemente. Derartige Lager erläutert Abschn. 9.6.