antriebstechnik 4/2018

Leistungsdaten Leistung

Leistungsdaten Leistung 3 (9; 18) kW Spannung Y-400 V Strom 10,9 (32,7; 65,4) A Außendurchmesser 320 mm Aktive Länge 50 mm Drehmoment 41 Nm (max. 57 Nm) Drehzahl 600 (1 800; 3 600) U/min Kühlart luftgekühlt, aktiv σ (kNm/m 3 ) 25 – 28 kNm/m 3 Wirkungsgrad 87,3 % @ 3 kW Gewicht (Einbausatz) 25 kg Tabelle 03: Motordaten der 150-mm-Referenzmaschine Formelzeichen P W Leistung n min -1 Drehzahl M Nm Drehmoment i D mm Rotordurchmesser Anzahl der Segmente, äquivalente Getriebeübersetzung A Luftspaltfläche mm 2 Oberfläche des Luftspalt τ t MPa Luftspalttangentialschub α ° Segmentwinkel L mm Aktivlänge des Blechpakets F t N Luftspalttangentialkraft F r N Luftspaltradialkraft LSRr MPa Luftspaltradialspannung x n s p k w n l ζ Faktor zur Berechnung der anteiligen Radialkraft Positionsvektor der Wicklung Statorzahnzahl Statorpolpaarzahl Wicklungsfaktor Anzahl der Lagen in einer Nut Normierte induzierte Spannung je Zahn Induktivitätsverhältnis L d H Längsinduktivität L q H Querinduktivität L σd H Streuinduktivität in Längsrichtung L σq H Streuinduktivität in Querrichtung L δ H Luftspaltstreuinduktivität L m H Magnetisierungsinduktivität cos ϕ σ δ Leistungsfaktor Luftspaltstreuflussfaktor i d,q A Strom der d,q-Achse A(γ) A i , ϕ i Normierte Durchflutung Spektrale Amplitude und Phase der normierten Durchflutung γ ° Winkel des Statorumlaufs D mmf F M Störanteil der normierten Durchflutung Drehmomentfaktor der Differenzkurve kann als nicht drehmomenterzeugender Anteil der Durchflutung verstanden werden. Dies gilt es zu minimieren. Aus dem Quadrat dieser Fläche lässt sich nun ein auf die Arbeitswelle normierter Drehmomentfaktor zur Beschreibung der Rotorausnutzung in Prozent berechnen. Für segmentierte Motoren wird das Integral über den Segmentwinkel der kleinsten Teilungseinheit gebildet. Der Drehmomentfaktor der erstmalig in (Lange, Weiss, & De Doncker, 2017) dargestellten Beispiele beträgt für die verteilte Wicklung F M = 0,92 und für die konzentrierte Wicklung F M = 0,687. Anhand der hergeleiteten Formel wurden die Drehmomentfaktoren unterschiedlichster Konfigurationen wie in Tabelle 02 gezeigt ermittelt. Für den Bau der ersten Segmentmaschine wurde eine Maschinenkonfiguration mit 18 Nuten und zehn Polen gewählt. Hier wird ein hoher Drehmomentfaktor bei geringem Streufluss und ausreichendem Wicklungsfaktor erreicht. Die Maschine verfügt über eine kleinste Segment-Teilung von 18 Nuten. Es bleibt zu bemerken, dass der Drehmomentfaktor nicht nur für konzentrierte Wicklungen, sondern auch für verteilte Wicklungen aller Maschinentypen gilt. Allerdings ist der Einfluss bei z. B. Permanentmagnet-Synchronmaschinen ungleich geringer. Zusammenfassung der Faktoren Es wurden die drei wichtigsten Faktoren zur Auswahl einer SynRM mit konzentrierter Wicklung vorgestellt. Besonders wichtig ist das Verständnis, dass nicht nur ein hoher Wicklungsfaktor zu einem erfolgreichen Entwurf der Maschine führt. Bei SynRM muss von üblichen Wicklungskonfigurationen abgewichen werden um einen geringen Streufluss und hohen Drehmomentfaktor zu erreichen. Nur so lässt sich eine effiziente und kompakte Reluktanzmaschine als Scheibenläufer mit hoher Drehmomentdichte entwerfen. Referenzmotor, Montage Für die Erprobung dieses Maschinentyps wurde eine Vollmaschine (360°) mit einem 18-nutigen-Segment ausgewählt und zur Erprobung gebaut. Bild 12 zeigt die Zahnspulen bei der Montage. Der Luftspaltdurchmesser wurde für den Prototypen mit 150 mm angesetzt. Die Kenndaten der Maschine sind Tabelle 03 zu entnehmen. Auslegung und Erprobung Der Motor lässt sich je nach Verschaltung der Zahnspulen mit drei Leistungen und Eckdrehzahlen betreiben. Bild 13 zeigt den Prüfstand zur Validierung der Auslegungsdaten. Fazit und Ausblick Der Schlüssel für eine moderne und langfristig industriell tragfähige Antriebslösung ist die Kombination eines modularen Konzeptes mit einer hocheffizienten und kostengünstigen Antriebstechnologie. Hier wird diese in Form der konzeptionell und praktisch vorgestellten Entwicklung einer segmentierten Synchron-Reluktanzmaschine gezeigt. In einem interdisziplinären Projektteam wurden moderne Methoden der Elektromaschinenentwicklung mit aktueller Fertigungstechnik kombiniert, um einen hochgradig modular und fertigungstechnisch optimierten Baukasten für Elektromaschinen auszuführen. Dies erfolgte im Sinne der anwender- und applikationsspezifischen Schnittstellen für einen Einbaumotor. 120 antriebstechnik 4/2018

ELEKTROMOTOREN Gleichzeitig entstand eine effiziente Synchron-Reluktanzmaschine mit gesteigerter Leistungsdichte. Der segmentierbare Torquemotor wurde je nach Verschaltung mit einer Leistung von 3, 9 oder 18 kW im Drehzahlbereich von 0 bis 3 600 Umdrehungen pro Minute gebaut und erprobt. Durch die Ausnutzung des vergrößerten Rotordurchmessers als zusätzlichem Hebelarm entsteht eine Maschine mit hohem Drehmoment. Somit ist ein Ersatz von Getriebeübersetzungen bis i = 32 sinnvoll möglich (Bild 06). Damit erweitert das Konzept den Einsatzbereich für heutige Torque motoren und bietet eine zukunftsfähige Antriebstechnik für den industriellen Maschinenbau. Die modularen Segmentmotoren bieten sich insbesondere für den produktübergreifenden Aufbau von Antriebsbaugruppen mit gezielt abgestuften Leistungsklassen an. Der direkte Anbau an Applikationen mit größerem Durchmesser kommt der scheibenförmigen Bauweise des Motors entgegen. Fundamente, zusätzliche Kupplungen, Lagerungen und Wellen können eingespart werden (Bild 14, rechts). Als weitere Stufe der Integration ist die Vollintegration der Rotorstruktur in die Struktur der anzutreibenden Maschine möglich, da der Rotor weder Magnete noch einen Läuferkäfig enthält. Der Rotor besteht nur aus gestanzten Blechen und ist überaus robust. Ziel des derzeit laufenden Exist-Forschungstransferprojektes ist es, eine abgestufte Produktreihe von Standardmotoren und Einbaumotoren zu entwickeln und in eine industrielle Verwendung in diversen Applikationsfeldern zu überführen. Die mittels der Segmente abbildbare Motorpalette soll zukünftig von wenigen Kilowatt bis zu großen Leistungen skalierbar sein und einen großen Drehzahlbereich abdecken. Die entwickelte modulare Antriebstechnologie für drehzahlvariable Sonderantriebe kann in der industriellen Umsetzung eine effiziente, flexible und in Serie kostengünstige Antriebsform für Sondermaschinen aller Art bieten. Fotos: 01– 06 und 12–14: Torque Werk 2018 12 13 Bau des 150-mm-Referenzmotors, hier mit Montage der Zahnspulen Referenzmotor (TW-18.1) und Prüfstand 14,5 kW, 50 Nm, Prüfmaschine 9 kW, 50 Nm, Motor TW-18.1 Literaturverzeichnis: [1] Boldea, I. (1996). Reluctance Synchronous Machines and Drives (1. Ausg.). Oxford: Clarendon Press [2] Doncker, R. D., Pulle, D. W., & Veltman, A. (2011). Advanced Electrical Drives, Springer [3] Lange, T., Weiss, C., & De Doncker, R. (12 2017). Key Factors for the Design of Synchronous Reluctance Machines with Concentrated Windings. IEEE PEDS 2017 [4] Lehner, B., & Gerling, D. (2016). Design Considerations for Concentrated Winding Synchronous Reluctance Machines. IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC-Asia-Pacific), Busan, S. 485–490 [5] Nürnberg, W. (1962). Die Asynchronmaschine. Berlin/Göttingen/Heidelberg: Springer-Verlag OHG [6] Ponomarev, P., Alexandrova, Y., Petrov, I., Lindh, P., & Lomonova, E. (November 2014). Inductance Calculation of Tooth-Coil Permanent-Magnet Synchronous Machines. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 61, NO. 11 [7] TorqueWerk. (31. Januar 2018). TorqueWerk.de. Abgerufen am 31. Januar 2018 von TorqueWerk.com: https://torquewerk.de/en/ Förderhinweis Das Projekt Torque-Drive (03EFHNW135) wird im Rahmen des Exist-Programms durch das Bundes ministerium für Wirtschaft und Energie und den Europäischen Sozialfonds gefördert. 14 100 Nm Messflansch Konzept des segmentierten Einbaumotors, (links) klassischer Antrieb, (rechts oben) angebauter Einbaumotor, (rechts unten) integrierter Direktantrieb antriebstechnik 4/2018 121