Differentielle elektromagnetische Asymmetrie einer permanentmagnetisch erregten Maschine mit konzentrierter Wicklung und kurzgeschlossener Rotorwicklung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ingo Hahn
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 172139969

Permanentmagneterregte Synchronmaschinen kommen sehr häufig zum Einsatz. Als wesentliche Vorteile eines permanenterregten Rotors sind die hohe Leistungs- und Drehmomentdichte und eine hohe Dynamik zu nennen. Ein entscheidender Nachteil liegt jedoch darin, dass ein feldorientierter Betrieb die Kenntnis der aktuellen Rotorlage voraussetzt. Daher sind Synchronmaschinen in der Regel mit einem zusätzlichen Rotorlagegeber ausgestattet. Dieser führt insbesondere bei kleinen Maschinen sowohl zu erhöhtem Bauraum, als auch zu erheblichen Mehrkosten. Daher ist ein lagegeberloser Betrieb wünschenswert.Bei hohen Drehzahlen kann eine zuverlässige Schätzung der Rotorlage auf Basis der durch die Permanentmagnete induzierten Spannung (EMK) erfolgen. Bei sehr niedrigen Drehzahlen bzw. im Stillstand müssen hingegen aktive Verfahren eingesetzt werden, welche mit Hilfe eines Testsignals die elektromagnetischen Eigenschaften der Maschine identifizieren und zur Rotorlageschätzung heranziehen. Die meisten in der Literatur anzutreffenden Verfahren werten hierbei die differentiellen Induktivitäten im Arbeitspunkt aus. Dabei ist es durchaus denkbar, dass sich eine alternative Bewertungsgröße besser zur Lageschätzung eignet. Weiterhin wird in der Literatur die Verwendung einer kurzgeschlossenen Spule auf dem Rotor vorgeschlagen, um die differentiellen Induktivitäten gezielt zu beeinflussen. Dass sich diese Maßnahme auch auf den messbaren HF-Widerstand auswirkt und dieser infolge der Interaktion mit den Wirbelströmen im Blechpaket eine charakteristische Frequenzabhängigkeit aufweist, konnte im vorausgehenden Vorhaben gezeigt und erfolgreich für die Lageschätzung genutzt werden.Das Ziel des Vorhabens besteht daher in der Erweiterung des zulässigen Bereichs für den geberlosen Betrieb sowie in der Minimierung des Schätzfehlers durch Verwendung einer kurzgeschlossenen Wicklung auf dem Rotor, und zwar ohne vorherige Festlegung auf eine bestimmte, für die Lageschätzung heranzuziehende Bewertungsgröße.Die Grundlage des Arbeitsprogramms bildet eine allgemeine Betrachtung möglicher Bewertungsgrößen. Dabei sind aus den messbaren Maschineneigenschaften verschiedene Bewertungsgrößen abzuleiten und zu prüfen, ob sich bereits durch eine geschickte Auswertung die Lageschätzung verbessern lässt. Anschließend ist an einem Versuchsaufbau der Einfluss der Wirbelströme auf die messbaren elektrischen Größen einer Spule zu untersuchen. Dabei soll insbesondere geklärt werden, ob Feldverdrängungseffekte im laminierten Blechpaket bei den üblichen Testsignalfrequenzen wirklich vernachlässigbar sind. Aus den gewonnenen Erkenntnissen ist dann ein Modell abzuleiten, mit dessen Hilfe für eine gegebene Maschine die für den geberlosen Betrieb am besten geeignete Bewertungsgröße bestimmt und eine passende Rotorwicklung optimiert werden kann. Abschließend sollen Messungen an einem Labormuster die Gültigkeit des neuen Modells und dessen Potential für die Verbesserung der geberlosen Lageschätzung zeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen