Effizienz- und Ausnutzungsvorteile fünfphasiger Käfigläuferasynchron- und permanentmagneterregter Synchronmaschinen mit Einspeisung einer dritten Spannungsharmonischen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Binder
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512518457

Gegenstand der Innovation: Ziel dieses Forschungsvorhabens ist der systematische Vergleich von umrichtergespeisten drei- und fünfphasigen Käfigläuferasynchron- (SCIM) und permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) hinsichtlich maximalen Wirkungsgrades, Drehmoment pro Gesamtverluste und Drehmoment pro Volumen bei einem gegebenen Temperaturanstieg der Statorwicklung. Inhalt des Projekts: Die Untersuchung basiert auf einem dreiphasigen Normasynchronmotor (15 kW, 1474 /min, 400 V) und Standardumrichter namhafter Hersteller. Für die gleichen mechanischen, elektrischen, thermischen und geometrischen Randbedingungen werden eine fünfphasige SCIM und eine drei- und fünfphasige PMSM analytisch und numerisch entworfen. Die vier Maschinen werden gebaut und Messungen sollen die theoretischen Ergebnisse verifizieren. Vorarbeit: Mehrere fünfphasige SCIMs wurden mittels analytischer und numerischer Berechnungen für einen Automobilzulieferer entworfen. Die Vor- und Nachteile von fünfphasigen SCIMs gegenüber PMSMs für die spezielle Anwendung eines Riemen-Starter-Generators wurden bearbeitet. Grundlegende Ergebnisse wurden veröffentlicht oder sind in Vorbereitung zur Veröffentlichung. Ziel des Projekts: Da ein gründlicher Vergleich von drei- versus fünfphasigen SCIMs und PMSMs hinsichtlich erreichbarer Wirkungsgrade und Motorausnutzung noch aussteht, wird ein theoretischer und experimenteller Vergleich den möglichen Vorteil einer Erhöhung der Phasenzahl von drei auf fünf und der Einspeisung der dritten Harmonischen hervorheben. Folgende Fragen sollen durch das Forschungsvorhaben beantwortet werden: a) Bei Nennbetrieb: Wie ändert sich das Drehmoment pro Gesamtverluste durch die Erhöhung der Phasen von drei auf fünf? Sind fünfphasige Maschinen effizienter als dreiphasige Maschinen? Wie stark verbessert sich der Wirkungsgrad, wenn die dritte Harmonische eingespeist wird? b) Kann das maximal erreichbare Drehmoment (Überlastfähigkeit) an der Umrichterstromgrenze durch eine Phasenerhöhung vergrößert werden? c) Wie wird die Rotortopologie durch die Phasenerhöhung beeinflusst? Für die SCIM sind die Anzahl der Rotorstäbe und der Schrägungswinkel zu analysieren. Für die PMSM soll die Magnetanordnung (vergraben, Oberfläche, V-Form) untersucht werden. d) Wie wird das Verhalten hinsichtlich maximalem Drehmoment und Wirkungsgrad im Feldschwächbereich durch eine Phasenerhöhung beeinflusst? e) Wie werden akustische Geräusche, Vibrationen und die Drehmomentwelligkeit durch die Phasenerhöhung beeinflusst? Eine endgültige Empfehlung für die Verwendung von drei- oder fünfphasigen Maschinen und allgemeine Regeln für das Design und die Einspeisung einer dritten Spannungsharmonischen sollen das endgültige Ergebnis des Projekts sein. Es werden allgemeine Regeln zu den Vorteilen von fünfphasigen SCIMs und PMSMs aufgestellt. Diese Ergebnisse sollen bei der Beurteilung helfen, ob die Vorteile von fünfphasigen drehzahlvariablen Antrieben die erhöhte Systemkomplexität aufwiegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen