Lagegeberlose Regelung 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 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407180108

Die lagegeberlose Regelung ist ein seit einigen Jahren intensiv untersuchter Forschungsgegenstand. Ziel ist es, aus den direkt und ohne zusätzliche Messgeräte erfassbaren Maschinengrößen im Betrieb ohne Lagegeber auf die Rotorlage schließen zu können. Für hinreichend große Drehzahlen gelingt dies über die induzierte Spannung mittels sogenannter EMK-Verfahren, im Bereich kleiner Drehzahlen und im Stillstand ist man auf Testsignalverfahren angewiesen. Diese basieren auf dem Vorhandensein einer elektromagnetischen Anisotropie, welche durch eine Differenz der differentiellen, also mittels dem Testsignal detektierten, Auswertungsgrößen (z.B. Widerstand oder Induktivität) beschrieben werden kann.Ein bereits laufendes DFG-Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit detaillierten Untersuchungen bezüglich des Maschinendesigns für die lagegeberlose Regelung. Als neuartiges Verfahren wurde die Anbringung kurzgeschlossener Rotorwicklungen (KS-Wicklungen) auf dem Rotor vorgestellt. Nach analytischen Formulierungen der Problemstellung und Optimierung des Konzepts erfolgte die Simulation einer experimentellen Maschine mittels der Methode der finiten Elemente. Nach der Entwicklung und dem Aufbau eines Versuchsstands, konnte nun auch auf Basis von Messungen die Leistungsfähigkeit des Verfahrens evaluiert werden.Um nun die Eignung des Konzepts für praktische Anwendungen untersuchen zu können, sind die KS-Wicklungen auf dem Rotor eines industriell gefertigten Synchron-Servomotors mit Oberflächenmagneten aufgebracht worden. Dieser wurde in einen Prüfstand integriert, um die notwendigen Messungen durchführen zu können.Im Rahmen dieses Forschungsantrags soll nun eine Regelstruktur entworfen werden, welche es ermöglicht, die Maschine mittels lagegeberloser Regelung über den gesamten Betriebsbereich nutzen zu können. Besonderer Schwerpunkt soll hier, wie in der bereits laufenden Forschungsarbeit, auf den Bereich, in welchem die testsignalbasierten Verfahren Anwendung finden, gelegt werden. In diesem Bereich sind die Vorteile des Konzepts der KS-Wicklungen wirksam und lassen sich untersuchen.Des Weiteren wurde bereits ein verbessertes Verfahren zu Lageschätzung des Rotors entwickelt, welches eine gewichtete Kombination von differentiellem Widerstand und differentieller Induktivität enthält. Dieses soll nun in die Regelstruktur integriert und auf seine Leistungsfähigkeit geprüft werden.Ebenfalls soll ein Schwerpunkt auf den Einfluss der KS-Wicklungen auf das dynamische Verhalten der Maschine gelegt werden. Da die KS-Wicklungen so ausgelegt sind, dass sie möglichst optimale Dämpfungswirkung im Bereich der Testsignalfrequenz aufweisen, ist im stationären Betrieb nur ein vernachlässigbarer Einfluss auf das Maschinenverhalten detektierbar. Bei hochdynamischen Beschleunigungs- oder Reversiervorgängen ergibt sich eine starke zeitliche Änderung des magnetischen Flusses, was unter Umständen zu einer Dämpfung des Hauptflusses der Maschine durch die KS-Wicklungen führen kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen