Auslegung und Regelung eines lagerlosen Permanentmagnet-Synchronmotors mit kombinierter doppelt dreiphasiger Wicklung zur Drehmoment- und Lateralkrafterzeugung und sternpunktverbundenem axialen aktiven Magnetlager

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Binder
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437667923

Gegenstand der Innovation:Die Integration der Versorgung eines axialen Magnetlagers in die Umrichterspeisung eines lagerlosen Motors zur Reduzierung der Systemkosten stellt die Neuartigkeit des Konzepts dar. Dabei wird das axiale aktive Magnetlager zwischen die beiden Sternpunkte der Statorwicklung des lagerlosen Motors geschaltet, welche mit einem Nullstrom versorgt wird. Dieser speist das axiale Magnetlager.Inhalt des Projekts:Das Konzept wird an einem 1 kW / 60000 /min lagerlosen Antriebs umgesetzt und seine Betriebsgrenzen ergründet. Kritische Parameter werden identifiziert und tiefgreifend untersucht. Der Prototyp wird (parametrisch) ausgelegt, gebaut und vermessen . Das Konzept wird auch auf größere Leistungsklassen simulativ angewendet, um größenabhängige Trends zu erkennen. Vergleiche zwischen den Baugrößen und mit herkömmlich gespeisten Prototypen werden gezogen.Eigene Vorarbeit:Die Umsetzbarkeit des neuartigen Lagerkonzepts wurde prinzipiell und simulativ in gezeigt. Einige der motor- und umrichterseitigen Einschränkungen aufgrund der Nullstromspeisung wurden dabei qualitativ dargestellt. Des Weiteren wurde die Störkraftentwicklung durch Wirbelströme im Permanentmagnet-Rotor theoretisch erörtert. Durch diese Vorarbeiten ist der Erfolg des Projekts im Hinblick auf die Forschungsergebnisse realistisch.Ziel des Projekts:Um fundierte Erkenntnisse zu den Grenzen des Einsatzbereichs für das Konzept zu erlangen, ist eine grundlegendere Auslegungsmethodik, die die Skalierbarkeit im Hinblick auf größere lagerlose Antriebe erlaubt, und die praktische Umsetzung unerlässlich. Erst nachdem diese praktischen Erkenntnisse theoretisch erklärt werden können, ist eine abschließende Bewertung des Konzepts möglich. Im Rahmen dieses Antrags sollen genau diese Lücken, d.h. theoretische und praktische Ergründung der Betriebsgrenzen des Konzepts, geschlossen werden. Es geht dabei konkret um die Beantwortung folgender Fragen:a) Wie verändert sich die Drehmoment- und Tragkraftwelligkeit bei steigendem Nullstrom und für größere Leistungsklassen?b) Wie verändern sich die Verlustgruppen im Motor bei steigendem Nullstrom und für größere Leistungsklassen?c) Wie stark beeinflusst die Umrichterschaltfrequenz die Dynamik der axialen Positionsregelung, und welche Schlüsse lassen sich daraus für IGBT-basierte Umrichter größerer Leistungsklassen ziehen?d) Wie viel Spannungsreserve muss im Umrichter für eine ausreichende Dynamik der axialen Positionsregelung vorgehalten werden?e) Welche Wicklungstopologien eignen sich für einen lagerlosen Motor mit Nullstromspeisung?f) Um wie viel muss die Steifigkeit der radialen Positionsregelung erhöht werden, um Störkräfte aufgrund von Wirbelstromrückwirkungen zu kompensieren, und was folgt daraus für das Betriebsverhalten der Gesamtregelung?g) Ab welcher elektrischen Leitfähigkeit sind massive Permanentmagnet-Materialien ungeeignet für lagerlose Antriebe, und ist dieser Richtwert skalierbar auf größere Antriebe?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen