ELEKTRO

Einleitung

In der Industrie gewinnen heutzutage permanent-magneterregte Synchronmaschinen (PMSM) immer mehr an Bedeutung. Sie sind sehr flexibel und leistungs-fähig. Mit ihnen lassen sich hohe Leistungsdichten und damit geringe Bauvolumen sowie sehr gute Wirkungsgrade erreichen. Diese Eigenschaften werden speziell bei der Realisierung von innovativen Antriebs-systemen genutzt. PMSM werden in sehr kleinen bis zu Großantrieben mit Leistungen von einigen Megawatt angewendet. Sie wurden ursprünglich als Antrieb für Positionieraufgaben in Produktionsmaschinen eingesetzt, bei denen eine hohe Dynamik mit entsprechend hoher Überlastfähigkeit verbunden ist. Mit der Steigerung der Energieeffizienz sind sie im Hinblick auf ihren Wirkungsgrad im Vergleich zu den Asynchronmaschinen deutlich besser, da bei ihnen keine Erregerverluste im Rotor produziert werden.

 

Eigenschaften der ferromagnetischen Stoffen

Beim Ummagnetisieren eines ferromagnetischen Körpers wird ein Teil der zugeführten elektro-magnetischen Energie in Wärmenergie (Verlustenergie) umgesetzt. Mit dem Durchlauf eines vollständigen Ummagnetisierungszyklus ist dabei die Energiedichte verknüpft, diese ist proportional der Fläche der Hystereseschleife. Parallel hierzu werden in den elektrisch leitfähigen Materialen Wirbelströme induziert, diese verursachen frequenz- material- und material-dickenabhängige Wirbelstromverluste.

Die gesamte Energiedichte, multipliziert mit dem Körper-volumen ergibt dann die Eisenverluste. Basierend auf dem Mechanismus ihrer Entstehung und der Ab-hängigkeit von der Frequenz und Flussdichte, können die Eisenverluste in zwei Hauptgruppen aufgeteilt werden:

 

Hystereseverluste (statische Verluste)

 

Wirbelstromverluste (dynamische Verluste).

 

Gegenüberstellung verschiedener Dauermagnetmaterialen (Abb. 1)

Aluminium–Nickel–Kobalt–Magnete (AlNiCo) erreichen zwar hohe Remanenzflussdichten, aber nur geringe Koerzitivfeldstärken. Dadurch ist die Gefahr einer irreversiblen Teilentmagnetisierung größer als bei den anderen Magnetwerkstoffen.

Hartferritmagnete (Eisenoxid-Magnete) sind am weitesten verbreitet, weil sie kostengünstig sind. Sie erreichen zwar nur geringe Remanenzflussdichten, aber so hohe Koerzitivfeldstärken, dass sie bei ent-sprechender Auslegung kaum entmagnetisiert werden können.

Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) haben im Vergleich zu SmCo noch größere Werte von Koerzitivfeldstärke und Remanenzinduktion. Sie sind bei Raumtemperaturen ebenso entmagnetisierungssicher. NdFeB haben bessere magnetische Eigenschaften als SmCo und sind viel günstiger. Ihr großer Nachteil ist die begrenzte maximale Betriebstemperatur, die beim Maschinen-entwurf berücksichtigen werden muss, um spätere Schäden beim Betrieb der Maschine auszuschließen.Abb. 4:  Magnetanordnungen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 1: Quantitative Darstellung der Entmagnetisierungskennlinien verschiedener Dauermagnetmaterialen

 

 

Auslegung der PMSM

​Der Ständer

Der Ständer besteht meist aus einem Ständerblechpaket mit Nuten und einer in die Nuten eingelegten Dreh-stromwicklung. Das Ständerblechpaket besteht aus mehreren isolierten Schichten von dünnen Dynamo-blechen. Dünnere Dynamobleche dienen zur Reduzierung der Wirbelstromverluste.

Das Wicklungssystem bei der Auslegung der Maschine ist auch von großer Bedeutung, daher sind zwei verbreitete Techniken zu unterscheiden:

die verteilte Wicklungstechnik (Abb. 2) und

die Zahnspulentechnik (Abb. 3)

 

Ein charakteristisches Maß für den Wicklungsaufbau ist die Lochzahl q, die die Anzahl der Nuten pro Strang und Pol darstellt.

Bei verteilten Wicklungen ist  und wenn q ganzzahlig ist, geht es um eine Ganzlochwicklung.

Bei Zahnspulenwicklungen ist  und für q bruch-zahlig spricht man von einer Bruchlochwicklung.

Als kostengünstiges Wicklungssystem bietet die Zahn-spulenwicklung viele Vorteile, wie eine weitgehend automatisierbare Fertigung und die Minimierung der Wickelkopflängen. Die Zahnspulentechnik führt ins-besondere bei kurzen Baulängen zu höheren Leistungs-dichten gegenüber einer verteilten Wicklung und hat auch einen höheren Nutfüllfaktor.

Es sind bei diesen Wicklungen auch negative Effekte zu beachten. Da die Ausführung oftmals mit offenen Nutschlitzen erfolgt, erhält man ein Luftspaltfeldspektrum

mit einem großen Anteil von Feldoberwellen. Diese Oberwellen verursachen Wirbelstromverluste in den Permanentmagneten, was im ungünstigsten Fall zu einer Entmagnetisierung der Magnete führen kann. Die Wick-lungen werden in Nuten gelegt, um den magnetischen Luftspalt zu minimieren und somit den Durchflutungsbedarf.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                Abb. 2: verteilte Wicklungen                                                    Abb. 3: Zahnspulenwicklungen

 

Der Läufer

 

Der Läufer bei Servoantrieben besteht wie der Ständer meist auch aus einem Blechpaket. Die Läufermasse kann durch Aussparungen im Blech minimiert werden und dadurch kann die Dynamik positiv beeinflusst werden. Das Läuferjoch kann geblecht oder massiv-eisern sein.

Bei Anwendungen bei denen keine hohen Anforderungen an die Dynamik gestellt werden, kann auch eine massive Läuferausführung eingesetzt werden. Vorteil dieser Ausführung ist die Reduzierung des Fertigungsaufwands, weil der komplette Läufer aus Wellenstahl gedreht werden kann und somit nur ein Fertigungsschritt notwendig ist.

Läufer können verschiedene Bauformen haben, die je nach der Anordnung der Magnete (Abb. 4) unter-schiedlich sind. Läufer mit eingebetteten Magneten haben im Vergleich zu denen mit oberflächenmontierten Magneten einfachere Magnetformen, rechteckige Quer-schnitte und keine zusätzliche Arbeitsschritte für die Befestigung der Magnete sind notwendig. Was die Motoreigenschaften angeht, haben die eingebetteten Magnete Vorteile im Feldschwächbetrieb bei hohen Drehzahlen. Die Oberflächenmontierten Magnete erlauben höhere Drehmomentdichten.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                      Abb. 4:  Magnetanordnungen

 

 

Entstehung der Wirbelstromverluste in den Magneten

 

Die in den Magneten auftretenden Wirbelstromverluste sind in drei Verlustquellen unterteilt:

• Bei stromloser Ständerwicklung durch die Pul-sationen des Läuferfeldes infolge der Ständer-nutöffnungen.

• Bei stromdurchflossener Wicklung durch die stromerregten Feldoberwellen der Ständer-wicklung, erregt vom sinusförmigen Grundschwingungsstrom.

• Durch die hochfrequenten umlaufenden Feldgrundwellen, erregt durch die Ständerstromoberschwingungen.

 

Für die Ermittlung der Wirbelstromverluste in den Permanentmagneten können analytische oder numerische Berechnungsverfahren eingesetzt werden.

 

Im Weiteren werden für die Berechnung der Wirbel-stromverluste in den Permanentmagneten zwei aus der Literaturrecherche ausgewählte analytische Berechnungsverfahren verwendet. Alle untersuchten Maschinen sind mit oberflächenmontierten Magneten aus NdFeB ausgestattet.

 

 

Berechnung der Wirbelstromverluste

 

Oberflächenverluste in den Magneten durch Ständernutöffnungen

 

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Wirbelstromverluste durch die Ständerober-wellen des Ständergrundschwingungs-stroms (Leerlaufstroms)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Gesamtverluste sind durch Summieren der Nutharmonischenpaare außer der Grundwelle (g = 0 ) zu erhalten:

 

 

 

Wirbelstromverluste in den Magneten durch Ständerstromoberschwingungen

 

 

 

 

 

 

 

Vergleich beider Berechnungsverfahren 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 5: Berechnetagnetverluste bei Maschinen mit Ganzlochwicklung

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 6: Berechnete Magnetverluste bei Maschinen mit Bruchlochwicklung

 

 

Zusammenfassung

Die Ergebnisse zeigen, dass beide Berechnungsver-fahren bei der Ganzlochwicklung weitgehende Überein-stimmung zeigen. Bei der Bruchlochwicklung jedoch sind große Abweichungen festzustellen. Um die Verwend-barkeit der Verfahren weiter abzuklären, sollten in weiteren Untersuchen, die Ergebnisse der Ganzloch-wicklung durch Messungen verifiziert werden. Bei Maschinen mit Bruchlochwicklung muss grundsätzlich die Verwendbarkeit der Formeln abgeklärt werden.