Auslotung des technischen Potentials permanenterregter Flux-Switching-Maschinen im Vergleich zu läufererregten PM-Synchronmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Binder
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318181465

Bei konventionellen Permanentmagnet-Synchronmaschinen befinden sich die Magnete (z.B. Neodym-Eisen-Bor-(NdFeB)-Magnete) auf dem rotierenden Teil (Rotor) und können häufig nur bedingt gekühlt werden. Typische Dauerbetriebs-Temperaturen in den Magneten liegen daher bei ca. 150 °C - 180 °C. So hohe Dauertemperaturen sind bei NdFeB-Magneten nur mit Zusätzen (z.B. Dysprosium) erreichbar oder es muss Samarium-Cobalt (SmCo) verwendet werden. SmCo-Magnete haben geringere Remanenzflussdichten und sind teurer als NdFeB-Magnete, aber auch Dysprosium verteuert die NdFeB-Magnete erheblich. Alternativ können die Magnete in dem ruhenden Teil (Stator) der Maschine angebracht werden. Dadurch sind die Magnete in der Nähe des Statorkühlkreislaufs, und die Temperatur in den Magneten kann i.A. deutlich unter 100 °C gehalten werden. Daher können kostengünstige, hochremanente, dysprosiumarme oder dysprosiumfreie Magnete verwendet werden. Der Rotor dieser Maschinen ist wicklungs- und magnetfrei und daher robust. Im Stator können kostengünstige Zahnspulen verwendet werden, doch muss die Fixierung der Magnete konstruktiv sinnvoll gestaltet sein. Drei unterschiedliche Topologien mit statorseitigen Magnetanordnungen fanden in den letzten Jahren vermehrt Beachtung: Doubly-Salient-Permanent-Magnet-(DSPM)-Maschine, Flux-Reversal-Maschine (FRM) und Flux-Switching-Permanent-Magnet-(FSPM)-Maschine. Bereits durchgeführte Untersuchungen legen nahe, dass die FSPM-Maschine bei gleicher thermischer Ausnutzung die höchsten Drehmomentdichten erreicht. Ein Ziel dieser Arbeit ist der grundsätzliche Vergleich der drei Maschinen für eine gegebene Leistungsanforderung und die zu erwartenden Vorteile der Flux-Switching-Maschine quantitativ zu dokumentieren. Ein weiteres Ziel des Projekts ist anschließend die Erarbeitung eines methodischen Konzepts zur Bemessung von Flux-Switching-Maschinen im Leistungsbereich bis ca. 150 kW als drehmomentstarke Antriebe für den unteren und mittleren Drehzahlbereich bis ca. 3000 /min. Dabei sollen die elektromagnetischen, thermischen, mechanischen und konstruktiven Auslegungskriterien in aufeinander abgestimmten Arbeitsschritten erarbeitet und anhand einer Prototypmaschine messtechnisch validiert werden. Weiter soll ein Prototyp der Flux-Switching-Maschine mit einer vergleichbaren, am Institut für Elektrische Energiewandlung vorhandenen, konventionellen PM-Synchronmaschine hinsichtlich der erreichbaren elektromagnetischen Ausnützung, Wirkungsgrade, Umrichterausnützung und dem Betriebsverhalten bei Störung (wie z.B. Kurzschluss) verglichen werden. Daraus sollen allgemeingültige Berechnungsregeln für die Flux-Switching-Maschine abgeleitet und ihre Stärken und Schwächen im Vergleich zu konventionellen läufererregten PM-Synchronmaschinen herausgestellt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen