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Gezielte Anisotropien

Leitung:Prof. Dr.-Ing. Bernd Ponick

Beteiligte Institute:


Im FVA-Förderprojekt Gezielte Anisotropien wurden die Möglichkeiten und Grenzen für die Nutzung von Anisotropien in umrichtergespeisten Induktions- und permanentmagneterregten Synchronmaschinen untersucht, um eine geberlose Drehzahl- bzw. Rotorlageerfassung zu ermöglichen. Neben der Untersuchung der gezielt einzubringenden Anisotropien wurde ebenfalls Augenmerk darauf gelegt, ob die üblichen Motorausführungen bereits nutzbare Anisotropien aufweisen.

Bei Induktionsmaschinen mit Käfigläufer hat sich die Nutzung von nutungsharmonischen Oberschwingungen im Ständerstrom als zu bevorzugende Lösung herauskristallisiert. Die Nutöffnungen im Läufer führen entlang des Umfangs zu periodischen Schwankungen des Luftspaltleitwerts, die nach der Drehfeldtheorie Paare von Nutungsoberwellen hervorrufen. Diese induzieren abhängig von der Wahl der Läufernutzahl in der Ständerwicklung sogenannte nutungsharmonische Oberschwingungen (Abb. 1), aus denen sich die Drehzahl der Induktionsmaschine berechnen lässt.

                  Abb.1 Oberschwingungsanteile für unterschiedliche Läufernutzahlen

Zur Überprüfung der analytischen Ergebnisse wurde ein computerbasierter Messaufbau realisiert, der durch Filterung und Frequenzerkennung der nutungsharmonischen Stromoberschwingung die Drehzahl berechnet. In Abb. 2 ist die Messung des dynamischen Drehzahlverlaufs bei einem beispielhaften Belastungsprofil bei sinusförmiger Speisung dargestellt. Im Vergleich zu einer optischen Drehzahlmessung ergab sich eine Drehzahlabweichung von unter 1%. Das Verfahren ist auch bei Umrichterspeisung einsetzbar, da gerade bei geringer Drehzahl ein ausreichender Abstand zwischen der Frequenz der Nutungsharmonischen und der durch den Umrichter verursachten Oberschwingungen besteht.

                                   Abb. 2 Dynamische Drehzahlmessung (f1=50Hz)

Im Projektteil zu permanenterregten Synchronmotoren wurden die notwendigen Berechnungen der Motorbetriebsgrößen unter Zuhilfenahme der Finite-Elemente-Berech-nungssoftware FEMAG durchgeführt. Diese bietet durch diverse Module die Möglichkeit, eine Vielzahl von Motorparametern (Drehmoment, Rastmoment, Längs- und Quer­induk­tivität, sättigungsabhängige Gegeninduktivität etc.) zu berechnen.

In Abb. 3 sind die gängigsten Ausführungen von Rotorgeometrien für permanenterregte Synchronmaschinen dargestellt, die für die numerischen Berechnungen genutzt wurden. Für den Vergleich der einzelnen Geometrien werden ausgewählte Parameter verwendet, die wichtige Betriebsgrößen für den Einsatz in geberlosen Auswertesystemen darstellen: die Induktivitätsdifferenz aufgrund der Sättigungseffekte durch die Permanentmagnete und die Bestromung, die Berücksichtigung des Nutzsignals, der Fehlerwinkel in der Lageschätzung und das Drehmoment.

                                                      Abb.3 Motorgeometrien

Als Beispiel sollen in Tabelle die Auswirkungen ausgewählter Motorparameter eines Rotors mit Oberflächenmagneten und reduziertem Massenträgheitsmoment dargestellt werden. Bei dieser Geometrie ergaben sich drei Freiheitsgrade: die Dicke der Permanentmagnete, die Bestromung und die Breite der Aussparung im Rotor. Anhand der Tabelle wird deutlich, dass es für einige Parameter nicht möglich ist, eine pauschale Aussage über das Verhalten der untersuchten Größe zu treffen. In diesem Fall müssen zusätzliche Anmerkungen bzw. Einschränkungen formuliert werden.

Eigenschaften des Oberflächenmagnetrotors mit reduziertem Trägheitsmoment (Typ C)

Unter Einbeziehung der Statorgeometrie und der Wicklung ergibt sich eine Vielzahl von weiteren Parametern, die die Eignung eines Motors für die geberlose Lageerfassung erheblich beeinflussen.

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