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antriebstechnik 10/2018

antriebstechnik 10/2018

Induktion B in T

Induktion B in T Drehmoment M in Nm 08 09 Für die Simulation verwendete Magnetisierungskennlinie von 42CrMo4, nach [6] 1,5 1 0,5 2.000 4.000 6.000 Mag. Feldstärke H in Am –1 Simuliertes Drehmoment als Funktion des Polradwinkels 20 10 –90 –60 –30 30 60 90 –10 –20 Polradwinkel ∂ in ° Polschuhläufer Flusssperrenläufer FE-Simulation nicht berücksichtigt werden, ist hier noch ein messtechnischer Vergleich erforderlich. Messtechnischer Vergleich Der messtechnische Vergleich der Motoren erfolgt auf einem Prüfstand, der speziell für hochtourige Motoren ausgelegt wurde. Der Prüfstand befindet sich zurzeit noch im Aufbau, es konnten daher bisher noch keine umfangreichen Messungen zur Bestimmung des Motorverhaltens durchgeführt werden. Bisher wurde eine Messung des Drehmoments des Massivläufers im Stillstand und bei niedrigen Drehzahlen (bis 6 000 min -1 ) durchgeführt. Für die Stillstandmessung wurden die drei Motorstränge in Stern verschaltet und mit Gleichstrom bestromt, während mittels eines Schneckengetriebes der Polradwinkel verändert wurde (Bild 10). Ein Vergleich der Messwerte mit der FE-Simulation zeigt, dass das gemessene Moment etwa um ein Drittel größer ist als das berechnete (Bilder 11 und 12) Es gibt verschiedene Ursachen für die Abweichung. Unter anderem können Streuungen und Bearbeitungseinflüsse zu abweichenden Materialparametern führen. Darüber hinaus ist ein wesentlicher Einfluss die Luftspaltlänge. Wird der Luftspalt in Folge der Fertigungstoleranzen kleiner, verbessert sich die magnetische Kopplung zwischen Stator und Rotor und das erreichbare Drehmoment steigt. Die gegebene Luftspaltlänge von δ = 0,6 mm kann fertigungsbedingt um bis zu Δδ = 0,05 mm variieren, woraus eine Veränderung des Drehmoments von bis zu 10 % resultiert. Für die Messung im drehenden Betrieb wurde die Vergleichs- ASM angekuppelt. Der Reluktanzmotor wurde als feldorientiert geregelter Synchronmotor betrieben. Durch die Vorgabe einer Drehmomentkonstante k T = 0 Nm/A und einer Drehzahlkonstante k U = 0 V/1 000 min -1 sowie eines zusätzlichen Reluktanzmomentes wurde der Regelalgorithmus auf das Fehlen der Permanentmagnete angepasst. Der Umrichter gibt bei der drehenden Messung einen konstanten feldbildenden Strom I d = – 18 A aus. Dadurch ergibt sich für die gemessenen Drehzahlen der gleiche Drehmomentverlauf (Bild 13). Ein Vergleich mit der FE-Simulation (Bilder 13 und 14) zeigt, dass der Motor durch den Umrichter nicht auf den Polradwinkel mit maximalem Moment, sondern auf einen konstanten elektrischen Polradwinkel von etwa д ≈ 22,5° eingestellt wird. Leiterstrom I N 212 A Strangstrom I Str 122,4 A Frequenz f N 1 000 Hz Schlupf (nur ASM) s 0,4 % Tabelle 04: Stromeinprägung für FE-Simulation 10 Messaufbau zur Stillstandmessung Verluste ASM RM1 RM2 Stator Stromwärme-P V,W,S 238 W 238 W 238 W Rotor Stromwärme-P V,W,R 311 W 0 W 0 W Ummagnetisierungs-P V,Fe 2 546 W 2 850 W 3 619 W Tabelle 05: Motorverluste bei maximalem Moment 94 antriebstechnik 10/2018

Drehmoment M in Nm Drehmoment M in Nm Drehmoment M in Nm Drehmoment M in Nm ELEKTROMOTOREN 11 Stillstandmoment des Massivläufers bei 40 A Strangstrom 12 Stillstandmoment des Massivläufers bei 120 A Strangstrom 1 10 –30 30 90 150 210 270 330 –30 30 90 150 210 270 330 –1 –10 Polradwinkel ∂ in ° Rechnung Messung Polradwinkel ∂ in ° Rechnung Messung 13 15 10 5 Drehmoment des Massivläufers bei unterschiedlichen Drehzahlen 100 x 14 1010 n = 6 000 min -1 45 90 135 180 Berechnetes Drehmoment des Massivläufers bei Drehzahl 150 200 Motorstrom I in A 1.500 min –1 3.000 min –1 6.000 min –1 x Sim. Max. Polradwinkel ∂ in ° 128 A 224 A Ausblick Die ersten Messungen des Massivläufers zeigen vielversprechende Ergebnisse. Aufgrund des gegenüber der Simulation erhöhten gemessenen Stillstandmomentes ist zu erwarten, dass der Reluktanzmotor durchaus das Nennmoment des Asynchronmotors erreicht. Sobald der Versuchsstand komplett aufgebaut ist, sind allerdings noch weitere Messungen durchzuführen. Dies gilt insbesondere für die Drehmomentwelligkeit bei drehendem Danksagung Diese Arbeit ist Teil des Sonderforschungsbereichs Transregio 96 und wird mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert, wofür gedankt wird. Motor sowie die Bestimmung der Verluste bei verschiedenen Drehzahlen und Belastungen. Literaturverzeichnis: [1] Binder, A., 2012. Elektrische Maschinen und Antriebe. Heidelberg, Springer [2] Fischer, R., 2013. Elektrische Maschinen. München, Hanser [3] Winkler, S., Werner, R., 2017. Einfluss der Rotorgeometrie auf die Drehmomentbildung bei Reluktanzmotoren, Freiberger Forschungshefte [4] Choi, Y.-C., Lee, J.-H., 2007. Rotor & Stator Design on Torque Ripple Reduction for a Synchronous Reluctance Motor with a Concentrated Winding using RSM, Proceeding of International Conference on Electrical Machines and Systems [5] Muteba, M., Twala, B., Nicolae, D. V., 2016. Torque Ripple Minimization in Synchronous Reluktance Motor using a Sinousoidal Rotor Lamination Shape, 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM) [6] Bulin, T., Svabenska, E., Hapla, M., Roupcova, P., Ondrusek C., Schneeweiss, O., 2017. Magnetic properties of 42CrMo4 steel, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 179 012010 antriebstechnik 10/2018 95

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