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antriebstechnik 10/2018

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04 Reluktanzmotor mit

04 Reluktanzmotor mit Flusssperren q 05 Gratbildung durch Laserbearbeitung fähigen Reluktanzmotor, ohne dass ein zusätzliches Rotorblechpaket notwendig ist. Da ein solcher Massivläufer aus nur einem Teil besteht, kann er sehr kostengünstig hergestellt werden. Gleichzeitig besitzt der Rotor eine hohe mechanische Festigkeit, da kein Pressverband zwischen der Welle und dem Blechpaket erforderlich ist. Nennleistung P N 100 kW Drehzahl n N 29 900 min -1 Nennfrequenz f N 1 000 Hz Nennspannung U N 370 V Nennstrom I N 212 A Leistungsfaktor λ 0,774 Statoraußendurchmesser D A 134,7 mm Bohrungsdurchmesser D 85 mm Wellendurchmesser D W 52 mm Luftspaltlänge δ 0,6 mm Blechpaketlänge l Fe 175 mm Anzahl der Statornuten N S 36 Tabelle 01: Nenndaten der Vergleichs-ASM D L 65 mm H P 20 mm α 5° R a 13,1 mm Rotorlänge 207 mm Material 42CrMo4 Tabelle 02: Geometrie des Massivläufers RM1 d Ein Massivläufer hat allerdings aufgrund der fehlenden Blechung den Nachteil, dass die Ausbildung von Wirbelströmen nicht gehemmt wird, wodurch höhere Zusatzverluste im Rotor im Vergleich zu einem geblechten Rotor zu erwarten sind. Rotor mit Flusssperren Mithilfe einer geeigneten Flussführung durch den Einsatz von Flusssperren (Bild 04) ist es möglich, das Reaktanzverhältnis gegenüber einer Polschuhgeometrie in etwa zu verdoppeln, vgl. [1]. Die Herstellung der Flusssperren erfolgt i. d. R. indem die entsprechenden Bereiche des Elektroblechs entfernt werden. Dies hat eine Reduktion der mechanischen Festigkeit des Rotors zur Folge. Um eine hinreichend hohe Festigkeit zu gewährleisten, sind daher zusätzliche Verstrebungen erforderlich. Diese Verstrebungen stellen allerdings magnetische Kurzschlüsse dar, welche das Reaktanzverhältnis X d /X q verringern. Die Wahl der Breite und Lage der Flusssperren und der Verstrebungen bietet viele Möglichkeiten, um das Verhalten des Motors anzupassen. Wie bspw. in [4,5] gezeigt wird, lässt sich somit nicht nur die Höhe des Drehmoments, sondern auch dessen Welligkeit beeinflussen. Wichtig für den Entwurf ist, dass der Rotor eine ausreichende Höhe aufweist, um den Fluss optimal führen zu können. Gleichzeitig sind fertigungsbedingte Randbedingungen einzuhalten. So müssen etwa die Flusssperren eine bestimmte Dicke aufweisen (nach Herstellerangaben etwa 0,8 mm), damit die Bleche keine Grate aufweisen, die das Paketieren erschweren (Bild 05). Vergleich der Motoren Die Rotorvariante mit Polschuhen als Massivläufer kann prinzipiell höhere Drehzahlen erreichen. Die Variante mit Flusssperren lässt sich auf ein höheres Drehmoment auslegen. Es lohnt sich daher, beide Varianten eingehender zu untersuchen. Um beiden Rotorvarianten miteinander in Relation setzen zu können, wurden für beide die gleichen äußeren Abmessungen gewählt. Ausgangsbasis für diesen Vergleich bildet ein Asynchronmotor (Tabelle 01). Der Vergleichsmotor ist nach Herstellerangaben für einen Wellendurchmesser von 40 – 56 mm ausgelegt. Diese Vorgabe ist beim Entwurf der Reluktanzmotoren zu beachten. 92 antriebstechnik 10/2018

ELEKTROMOTOREN Es wurden zwei Reluktanzmotoren auf ein maximales Drehmoment ausgelegt und konstruiert, ein Massivläufer mit Polschuhgeometrie (RM1, Bilder 03, 06 und Tabelle 02) und ein Rotor mit Flusssperren (RM2, Bild 07 und Tabelle 03). Der Flusssperrenrotor wurde aus Eisen-Kobalt-Blechen (Vacodur49) gefertigt, da sowohl die mechanische Festigkeit als auch die Sättigungsinduktion dieser Bleche im Vergleich zu Silizium-Elektroblechen deutlich höher sind. Es ist zu beachten, dass auch der Preis für Eisen-Kobalt- Bleche deutlich höher ist. Die Kosten für ein Eisen-Kobalt-Blechpaket betragen etwa das Vierfache im Vergleich zu einem Eisen- Silizium-Blechpaket. Um den Aufbau eines Versuchsstands zu vereinfachen, nutzen sowohl der Vergleichs-Asychronmotor als auch die Reluktanzmotoren Statoren gleicher Bauart. Die Rotoren der beiden Reluktanzmotoren wurden um jeweils eine Nutteilung (10°) geschrägt, um Pendelmomente aufgrund des Nutrastens zu verringern. 06 Massivläufer RM1 mit montierten Lagern Simulativer Vergleich Für einen ersten Vergleich wurden FE-Modelle für alle Motoren erstellt. Das Material für den Massivläufer wurde vom Hersteller magnetisch nicht spezifiziert, daher wurden hierfür Literaturwerte angenommen (Bild 08) und [6]. Um eine Vergleichbarkeit der Simulationen zu gewährleisten, wurde in alle Motoren der gleiche sinusförmige Strom in Höhe des Nennstroms des Asynchronmotors eingeprägt. Für den Asynchronmotor wurde zusätzlich sein Nennschlupf von 0,4 % eingestellt. Der Asynchronmotor erreicht ein Drehmoment von 24,65 Nm. Der Polschuhläufer erreicht ein maximales Drehmoment von 16 Nm und der Flussperrenläufer erreicht maximal 19 Nm. In der Simulation erreichen die Reluktanzmotoren nicht das Drehmoment des Asynchronmotors. Dafür treten keine Stromwärmeverluste im Rotor auf. Die berechneten Ummagnetisierungsverluste sind im Vergleich zum Asynchronmotor deutlich höher. Da bestimmte Effekte, etwa der Kanteneinfluss der Bearbeitung, bei der Verlustberechnung der 07 Geometrie des Flusssperrenläufers RM2 h d Fe d Iso h R 1 R 2 D W 1,2 mm 0,8 mm 1,8 mm 41 mm 289,6 mm 45,5 mm Material Vacodur 49 (s. [8]) Tabelle 03: Geometrie des Flusssperrenläufers RM2 d Iso R 2 R 2 d D Fe W R 1 antriebstechnik 10/2018 93

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