Können E-Motoren mit entsprechender Ansteuerung auch langsamdrehend effizient sein und Drehmoment aufbringen?

[dreieck]

Ahoj,

nach dem ich in diesem Thread schon gute Antwort bezüglich Akku-Balancer-Verhalten erhielt, probiere ich es hier noch mit einer Motorfrage:

• So wie ich es verstehe, sind Elektromotoren erst dann effizient, wenn sie schnell laufen (was auch immer "schnell" ist, in der Nähe ihrer Nenndrehzahl).
• Auf der anderen Seite werden Elektromotoren ohne Getriebe in allerlei modernen Fahrzeugen verbaut, auch da wo man auf Energieeffizienz wert legen will und auch längere Zeit langsam fährt. Z.B. Züge.

Das bringt mich zu der Frage, ob dies eine Sache der Ansteuerung ist?, also ob Elektromotoren auch langsamdrehend unter Last in ähnlichem Effizienzbereich arbeiten können wie schnelldrehend, wenn die Wicklungen passend angesteuert werden (z.B. wirklich fein getaktet, Ströme begrenzt, ...)? Ich las was von "FOC (field optimised controller)" irgendwo, wo es darum geht, sich um die Magnetfelder im Motor zu kümmern und nicht einfach nur stur "Spannung ran, was der Strom macht ist uns egal" zu schalten.

Also, ist dies eine Sache (Elektromotoren langsamdrehend unter Last effizient) die prinzipiell geht, nur bei Fahrrädern meist nicht gemacht wird, oder prinzipiell nicht geht?

Angenommen werden dürfen moderne bürstenlose Motoren und Ansteuerungen, die beliebig ausgefeilt sind -- also nicht nur zu bestimmten Zeitpunkten Spannungen schalten, sondern auch Spannungshöhen einstellen bzw. fein gesteuerte/ geregelte PWM-Signale aufprägen können, Ströme durch die Wicklungen überwachen können usw.

Gruß!

 

[Gast80936]

PWM ist genau das womit ein E-Motor auch im untersten Drehzahlbereich maximalen Drehmoment erzeugen kann!
Allerdings muss je nach Anzahl der Pole uvm. die "richtige" Frequenz" gefunden werden um den Motor so effizient und ruckfrei wie möglich u betreiben.

 

[dreieck]

PWM ist genau das womit ein E-Motor auch im untersten Drehzahlbereich maximalen Drehmoment erzeugen kann!

Und wie ist es mit der Effizienz (also Wirkungsgrad)? Und ich dachte Drehmoment geht auch mit einfach stur "Spannung schalten". Magnetfeld ist ja da, Kraft damit auch; es fließt halt viel Strom der Energie verbraucht, aber das Drehmoment (also quasi die Kraft) schert sich ja nicht um die Effizienz.

 

[Gast80936]

Du brauchst die höchst mögliche Spannung damit der Motor eben mit maximalen Drehmoment arbeitet - dabei würde er natürlich auch mit maximaler Drehzahl drehen ...
Das willst Du aber nicht, weil Du ja möglichst *langsam* fahren willst - also darfst Du die Spannung/Strom eben nur ganz kurz anlegen = PWM.
Das ist nicht bei jedem Motor gleich! Je nach Pole, Wicklung uvm. ändert sich die "Frequenz"...

Das ist eine Wissenschaft für sich! Hersteller digitaler Modellbahndecoder forschen da seit Jahrzehnten ... und sicher auch alles E-Auto Hersteller und alle, die sich mit E-Antrieben beschäftigen ... Jeder hat da so sein eigenes "Rezept" und keiner lässt Dich in seine Karten schauen!

 

[sigimann]

Der Motor muss für die niedrige Drehzahl gebaut sein. Dafür braucht es viele Magnet und Wicklungen, also viel Material,viele Teile und Arbeit= teuer. Dazu kommt dann die Ansteuerung, will man hier Regeln (z.B. Sinuswell geregelt), wid es noch einmal richtig teuer. Die meisten käuflichen Regler sind billige "Steller" mit fester Frequenz und Rechteck PWM.
Obwohl, für dem Preis eines Bosch Antriebes sollte man das schon bauen können ...

 

[Hochsitzcola]

Du brauchst die höchst mögliche Spannung

So ein Quatsch. Für das Drehmoment ist allein der Motorstom zuständig. Für hohes Drehmoment braucht man gerade bei geringer Drehzahl keine hohe Spannung. Das erzeugbare Drehmoment ist bei Stillstand maximal und sinkt mit steigender Drehzahl.
Und nein, ein Elektromotor kann bei geringer Drehzahl nicht effizient sein.
Siehe z.B. den Simulator von grin.

Motor Simulator - Tools

Für gute Effizienz bei langsamer Drehzahl braucht man entweder sehr viele Polpaare, wie @sigimann schon schreibt, oder eben eine mechanische Untersetzung.

Gruß
hochsitzcola

 

[dreieck]

Du brauchst die höchst mögliche Spannung damit der Motor eben mit maximalen Drehmoment arbeitet - dabei würde er natürlich auch mit maximaler Drehzahl drehen ...
Das willst Du aber nicht, weil Du ja möglichst *langsam* fahren willst - also darfst Du die Spannung/Strom eben nur ganz kurz anlegen = PWM.

Also, so ein moderner bürstenloser Motor wie ich ihn mir vorstelle dreht bei konstant angelegter Spannung an den Wicklungen doch gar nicht, weil die Magnete in das aktuelle Feld "einlocken". Es müssen da abhängig vom aktuellen Rotorstand die Wicklungen angesteuert werden, das Magnetfeld also wandern. Das machen Festplattenmotoren und Floppy-Drive-Motoren schon so.

Das ist nicht bei jedem Motor gleich! Je nach Pole, Wicklung uvm. ändert sich die "Frequenz"...

Dass das Motorangepasst sein muss ist mir klar. Eine hochfrequente PWM erzeugt wegen der Induktivität der Wicklungen dann am Ende auch keinen gepulsten Stromfluss, sondern einen gemittelten, quasikontinuierlichen Stromfluss, wie ich es verstehe.

also viel Material,viele Teile und Arbeit= teuer. Dazu kommt dann die Ansteuerung, will man hier Regeln (z.B. Sinuswell geregelt), wid es noch einmal richtig teuer. Die meisten käuflichen Regler sind billige "Steller" mit fester Frequenz und Rechteck PWM.

Meine Frage bezieht sich nicht auf die Marktpraxis, sondern auf's Prinzip: Geht es, dass Motoren, die hohe Geschwindigkeiten können, auch langsamdrehend mit hohem Wirkungsgrad Drehmoment aufbringen können, wenn sie passend angesteuert werden?

Und nein, ein Elektromotor kann bei geringer Drehzahl nicht effizient sein.
Siehe z.B. den Simulator von grin.

Motor Simulator - Tools

Da sehe ich, dass es konkrete, existierende Systeme betrachtet. Ich habe keine Ahnung wie konkrete Systeme umgesetzt sind. Daher hilft mir das nicht weiter bei der Beantwortung der Frage ob das Prinzipbedingt ist oder sich mit einer passenden (ggf. teuren und komplexen) Ansteuerung mitigieren lässt.

Und danke für den Verweis auf dieses Werkzeug!, ich denke es kann sehr hilfreich sein um konkret existierende Systeme sich anzuschauen.

 

[VierNullEins]

Bei permanenterregtem Motor eher schwierig.
Bei der drehfelderregten Stromrichtermaschine geht das. Die kann sogar im Stillstand das volle Moment.
Aber die ist eher nicht fürs Pedelec geeignet.

EPO - European publication server
Andreas Boehringer – Wikipedia

 

[Gast80936]

Stimmt - Strom ... UND Spannung!
Ob ein E-Motor auch bei geringer Drehzahl effizient ist und den höchst möglichen Drehmoment erzeugt, hängt von vielen Faktoren ab.
ABER - Ein "normaler" E-Motor kann mit passender PWM auch bei geringer Drehzahl hohen Drehmoment liefern und effizient sein.
Wird ja auch schon lange praktiziert ....

 

[dreieck]

Ein "normaler" E-Motor kann mit passender PWM auch bei geringer Drehzahl hohen Drehmoment liefern und effizient sein.
Wird ja auch schon lange praktiziert ....

Ah OK, danke, das ist dann jetzt mal eine definitive Aussage. Auf die ich verweisen kann, wenn andere Fragen konkret werden .
Gibt es einen Fachbegriff für die passenden Controller?
Einsatzzweck wäre getriebeloser Nabenmotor am Liegerad (ggf. am Hänger statt am Rad) im Hügelland (oft hoch und runter), der eben auch elektrisch bremsen soll (Material schonen, und als Bonus auch etwas Energie zurückgewinnen -- natürlich auch mit passendem Controller, der die ggf. zu niedrige Spannung anpasst, und Temperaturüberwachung im Motor ist wohl auch nötig), wobei das elektrische Bremsen in der Stärke einfach per extra-Drehknopf o.Ä. manuell gesteuert werden und unabhängig von der mechanischen Bremse sein soll.

Was sind die Fachbegriffe, nach denen ich Ausschau halten muss?

Elektronikbasteln kein Problem und gerne, die Controller dürfen also auch Module ohne Anschlüsse und ohne Gehäuse sein.

Gruß!

 

[Hochsitzcola]

ABER - Ein "normaler" E-Motor kann mit passender PWM auch bei geringer Drehzahl hohen Drehmoment liefern und effizient sein.

Hohes Drehmoment ja, effizient nein. Geht prinzipbedingt nicht. Auch mit bester FOC Ansteuerung nicht.
Ich verweise für die Basics immer wieder gern auf das Paper von Maxon, der maximale Wirkungsgrad wird bei ca. 80% der Nenndrehzahl erreicht darunter sinkt er mit der Drehzahl.
https://www.maxongroup.ch/medias/sys_master/root/8797816389662/maxonMotorData-Notizen.pdf

Gruß
hochsitzcola

 

[didi28]

Das bringt mich zu der Frage, ob dies eine Sache der Ansteuerung ist?, also ob Elektromotoren auch langsamdrehend unter Last in ähnlichem Effizienzbereich arbeiten können wie schnelldrehend, wenn die Wicklungen passend angesteuert werden (z.B. wirklich fein getaktet, Ströme begrenzt, ...)?

Wie auch schon Hochsitzcola anmerkte, lässt das die Physik leider nicht zu. Wenn Du Dich mit den Grundlagen elektrischer Maschinen näher beschäftigen willst, ist neben dem Paper von Maxon auch z.B. der Aufsatz von Helmut Schenk (Motormodellierung/Theorie) interessant:

https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwj94YK33pbwAhUYhv0HHWsVCtkQFjAAegQIAhAD&url=https://www.rcgroups.com/forums/showatt.php?attachmentid=10325233&usg=AOvVaw0VGya_QwI2vGLeLjsmISkN

Und spiele einfach mal mit dem Motorsimulator von Grin herum. Wenn Du z.B. die gestrichelte Linie mit der Maus verschiebst (steht im Screenshot unten gerade bei maximaler Effizienz), dann siehst Du auch, wie sich die Verbrauchswerte unterhalb des Graphen etc. verändern:

Motor Simulator - Tools

Und das maximale Drehmoment hat man immer bei Drehzahl 0, Leistung 0, Wirkungsgrad 0.

Ich las was von "FOC (field optimised controller)" irgendwo, wo es darum geht, sich um die Magnetfelder im Motor zu kümmern und nicht einfach nur stur "Spannung ran, was der Strom macht ist uns egal" zu schalten.

Es gibt verschiedene Ansteuerungsverfahren, von denen die feldorienterte Regelung am effizientesten ist:

• Trapezansteuerung: Dieses auch als Sechsschritt-Ansteuerung bezeichnete Verfahren stellt den einfachsten Algorithmus dar. Für jeden der sechs Kommutierungsschritte wird ein Stromweg zwischen jeweils zwei Wicklungen geschaltet, während die dritte Wicklung unbestromt bleibt. Nachteilig an dieser Methode ist die hohe Drehmoment-Welligkeit, die zu Vibrationen, starker Geräuschentwicklung und einer gegenüber anderen Algorithmen beeinträchtigten Leistungsfähigkeit führt.
• Sinusansteuerung: Diese Methode vermeidet viele Nachteile der Trapezansteuerung, indem sie die drei Wicklungen mit einem sich sinusförmig, also stetig verändernden Strom ansteuert. Die Drehmoment-Helligkeit verringert sich hierdurch und der Motor dreht gleichmäßig. Da diese zeitlich veränderlichen Ströme jedoch mit einfachen PIReglern erzeugt werden, ist die Leistungsfähigkeit bei höheren Drehzahlen nicht zufriedenstellend.
• Feldorientierte Regelung (FOR): Dieses auch als Vektorregelung bezeichnete Verfahren arbeitet bei hohen Drehzahlen effizienter als die Sinusansteuerung. Da der Fluss in Rotor und Stator stets perfekt aufrechterhalten wird, garantiert diese Regelung außerdem einen optimalen Wirkungsgrad bei wechselnden Betriebsbedingungen. Auch dynamische Lastwechsel bewältigt die FOR besser als alle anderen Techniken.

Quelle: Feldorientierte Antriebssteuerung: Sensor regelt Motor

 

[onemintyulep]

Also einfach gesagt, man kann einen gegebenen Motor auch beliebig langsamer laufen lassen, aber dann sinkt die Leistung.
Man kann nicht gleiche Effizienz und gleiche Leistung bei beliebigen Drehzahlen haben.
Deshalb ist die Maximalleistung von E-Motoren in Autos sehr hoch spezifiziert, so dass man bei geringen Drehzahlen noch ausreichend Leistung bei maximaler Effizienz hat. Das macht man wahrscheinlich auch bei Triebwagen so.
Beim Fahrrad macht das aus Kosten und Gewichtsgründen keinen Sinn.

 

[dreieck]

Ahoj,

Also einfach gesagt, man kann einen gegebenen Motor auch beliebig langsamer laufen lassen, aber dann sinkt die Leistung.
Man kann nicht gleiche Effizienz und gleiche Leistung bei beliebigen Drehzahlen haben.

Dass die Leistung sinkt ist klar, denn Leistung = Kraft x Geschwindigkeit.
Frage war, ob Kraft hoch bleiben kann bei hoch bleibender Effizienz.

Drehmoment ist hier "quasi" wie Kraft zu sehen, da (wenn kein Schalten von Gängen involviert sind) alle Radien, die in die Umrechnung von Drehmoment zu Kraft eingehen, eine Konstante sind.


Mein Verständniszwischenstand jetzt:

* Effizienz bei niedriger Drehzahl beibehalten geht, das Drehmoment sinkt dann ab.
* Drehmoment bei niedriger Drehzahl beibehalten geht, die Effizienz sinkt dann ab.

Richtig (obwohl Du oben "Leistung" und nicht "Drehmoment" geschrieben hast)? Oder nicht richtig?

Wenn man entsprechend groß und schwer dimensioniert geht auch bei niedriger Drehzahl noch entsprechend gewünschtes hohes Drehmoment bei hoher Effizienz, bei höherer Drehzahl ist es dann überdimensioniert. Was man bei Fahrrädern sinnvollerweise nicht machen will.

Richtig verstanden vom Grundprinzip?

 

[Hochsitzcola]

Richtig verstanden vom Grundprinzip

Nein. Wie schon drei mal geschrieben.
Schau dir mal die Motorgleichung an. Da gibt es den Term I^2*R. Dieser Term erzeugt einfach nur Wärme und keinerlei mechanische Leistung. Der dominiert bei geringer Drehzahl.
Der Motorstom, der proportional zum Drehmoment ist, geht hier quadratisch ein!

Gruß
hochsitzcola

 

[rd1956]

Für den BBS01 sieht das dann konkret so aus, mit fallender Kadenz steigt das Drehmoment und die Effizienz (und die mechanisch abgegebene Leistung) fällt:

 

[onemintyulep]

Interessant, dass das Kadenz-Optimum bei ~75 liegt. Das ergonomische Optimum liegt etwa bei 90, das war für den schon zu viel? Normal geht das bei einem Mittelmotor so bis 110.

 

[rd1956]

Das ist richtig. Die 90 werden meist nur von "sportlich versierten" gefahren.
In meiner Jugend waren selbst auf Rennrädern die hohen Kadenzen nicht üblich, so dass ich auch meist nur 70-80 fahre. Ich kann mich da nicht mehr umstellen.
Allerdings fahren die "Normalradler" auch heute eher 50-70. Am Vatertag ist jemand mit einem Gravel-Bike mit 1x11 Schaltung (ohne Motor) bei ca. Tempo 23km/h mit 40/11 gefahren, das ist dann irgendwas um 50er Kadenz.

 

[Leonardo75]

Was wäre eigentlich, wenn man bei einem ausreichend niedrigen Innenwiderstand des Motors die Spannung reduzieren würde, wenn man langsamer fährt, ohne den Strom zu reduzieren. Man bräuchte dann natürlich einen Controller, der keine Unterspannungsabschaltung hat, oder bei der diese gebrückt ist und hinter dem Akku einen leistungsstarken Step down Wandler (gibt es leider nicht wirklich viele im Vergleich zu Step up Wandlern) oder alternativ einen Akku mit geringerer Spannung und einem leistungsstarken Step Up Wandler, der dann bei höheren Geschwindigkeiten die Spannung anhebt.
Ist natürlich eher Fiktion, aber vielleicht ein Gedankenspiel wert.

 

[Hochsitzcola]

die Spannung reduzieren würde, wenn man langsamer fährt, ohne den Strom zu reduzieren.

Der Strom ist immer eine resultierende der Spannung. Die Halbbrücken mit der Pulsweitenmodulation sind ja nichts anderes als Step Down Wandler.
Die Spannung wird über das Tastverhältnis soweit reduziert, dass der gewünschte Strom fließt. So lange die Akkuspannung hoch genug ist, um den Sollstrom gegen die BEMF in die Wicklungen zu drücken....

Gruß
hochsitzcola