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

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projekt befasst sich mit einer Sonderform magnetisch gelagerter Hochdrehzahlantriebe als sogenannte “lagerlose elektrische Maschinen”. Die Relevanz der Ergebnisse ist nicht auf spezielle Industrieanwendungen beschränkt und ist auch für höhere Leistungsklassen als die hier untersuchten gültig. Magnetisch aktiv gelagerte rotationszylindrische Rotoren benötigen auch als “lagerlose Motoren”, bei denen die Radiallagerfunktion der E-Motor selbst übernimmt, ein geregeltes Axiallager für den Ausgleich einer möglichen axialen Schubkraft. Die Erregerwicklung dieses Lagers wird dabei üblicherweise mit einem Vier-Quadranten-Steller mit vier leistungselektronischen Schaltern gespeist. Im Projekt wird der Motorwicklungs- Nullstrom als Gleichstromkomponente zwischen den beiden Sternpunkten der beiden mehrphasigen Motorhalbwicklungen als Speisestrom verwendet. Diese Sternpunkte stehen aber nicht nur bei den “lagerlosen” Maschinen zur Verfügung, sondern auch beim Einsatz von zwei dreiphasigen magnetischen Radiallagern, z. B. für die magnetische Lagerung nichtelektrischer rotierender Maschinen. Die für diesen Nullstrom benötigte treibende DC-Nullspannung wird durch eine Gleichspannungs-Offset-Modulation der drei Dreiphasenwechselspannungen der beiden Dreiphasensystemen erzeugt. Alternativ dazu kann ein speziell angepasstes Raumzeiger-Pulsweitenmodulationsverfahren für die je drei Phasenspannungen verwendet werden, um die Nullstromkomponente zu erzeugen. Durch die Nullstromspeisung werden der Vier-Quadranten-Steller eingespart und die Kosten und die Systemkomplexität verringert. Dabei hat die Nullstromspeisung etwa die gleiche Dynamik der axialen Rotor-Positionsregelung wie der Vier-Quadranten-Steller. Nur an der Spannungsgrenze der speisenden Dreiphasen-Umrichter treten in der speisenden Nullspannung oder in der Dreiphasenspannung höhere Harmonische auf. Durch eine spezielle Modulationstechnik können diese Harmonischen in der Nullspannung zu Lasten größerer Harmonischer in der Dreiphasenspannung verringert werden. In jedem Fall sind aber die zugehörigen harmonischen Nullströme ungefährlich klein. Die Ergebnisse werden in einer für moderne Dreiphasen-Umrichter allgemein gültigen Weise beschrieben, so dass die Ergebnisse auf deren Steuerung übertragbar ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Bearingless PM synchronous machine with zero-sequence current driven star point-connected active magnetic thrust bearing,” in Transportation Systems and Technology 4 (1), 2018, pp. 5 … 18
  D. Dietz & A. Binder
  
• “Comparison between a bearingless PM motor with separated and combined winding for torque and lateral force generation,” in Proc. European Conference on Power Electronics (EPE), 2.-6.9.2019, Genova, Italy, 10 pages
  D. Dietz & A. Binder
  
• “Influence of PM-Material on the parameter uncertainty of Bearingless Synchronous Machines,” in Innovative Kleinantriebs- und Kleinmotorentechnik (IKMT), Würzburg, 10.-11.9.2019, ETG-Fachbericht 159, VDE-Verlag GmbH, Berlin, p.80-85
  D. Dietz & A. Binder
  
• Bearingless PM-synchronous machine with axial active magnetic bearing fed by zero-sequence current. e & i Elektrotechnik und Informationstechnik, 138(2), 62-69.
  Dietz, Daniel & Binder, Andreas
  
• Design Guidelines and Scaling Effects for Bearingless PM Synchronous Machines Accounting for Eddy Current Reaction Field. IEEE Transactions on Industry Applications, 57(6), 6844-6855.
  Dietz, Daniel & Binder, Andreas
  
• Eddy Current Influence on the Control Behavior of Bearingless PM Synchronous Machines. IEEE Transactions on Industry Applications, 57(6), 6944-6955.
  Dietz, Daniel & Binder, Andreas
  
• Operational constraints of zero-sequence current feeding in bearingless PM synchronous machines. e & i Elektrotechnik und Informationstechnik, 138(6), 383-393.
  Dietz, Daniel & Binder, Andreas
  
• “Bearingless PM Synchronous Machine with Axial Active Magnetic Bearing fed by a Zero-Sequence Current,” in More Drive Symp. 1.-2.9.2021, OVE, Vienna, Austria
  D. Dietz & A. Binder
  
• “Comparison Between NdFeB and SmCo5 Permanent Magnets Regarding Eddy Currents in Bearingless Synchronous Machines,” in International Symposium on Magnetic Bearings (ISMB), Online / Rio de Janeiro, Brazil, Aug. 2021.
  D. Dietz & A. Binder
  
• “Parasitic Effects of Magnetic Eccentricity in Bearingless PM Synchronous Machines,” in International Symposium on Magnetic Bearings (ISMB), Online / Rio de Janeiro, Brazil, Aug. 2021, 13 pages.
  D. Dietz & A. Binder
  
• “Design of a Bearingless Permanent Magnet Synchronous Machine with a Star Point-Connected Axial Active Magnetic Bearing”, 2022, TU Darmstadt
  D. Dietz
  
• “Indirect Efficiency Measurement and Levitation Property Determination for High-Speed Bearingless PM Synchronous Machines,” in Innovative Kleinantriebs- und Kleinmotorentechnik (IKMT), Linz, Österreich, 14-15.9.2022, GMM- Fachbericht 103, VDE-Verlag GmbH, Berlin, p.209-215
  D. Dietz & A. Binder