Switched reluctance machine with integrated torgue and radial force production
Final Report Abstract
Im Bearbeitungszeitraum des Forschungsthemas „Geschaltete Reluktanzmaschine mit integrierter Drehmoment- und Radialkrafterzeugung" wurden folgenden wichtigen Punkte ausführlich untersucht: • Mathematisches Model • FEM-Analyse eines Blechschnittes • Entwurf und Konstruktion der Versuchsmaschine • Konzept der Leistungsumrichter-Konfiguration • Modellierung und Simulation des Reluktanzantriebes • Praktische Realisierung Das mathematische Modell wurde auf der Basis des Maxwellschen Spannungstensors entwickelt. Die Größen des elektromagnetischen Feldes im Luftspalt wurden zuerst analytisch beschrieben. D.h. die Feldstärke und Flussdichte, die in den Tensorkomponenten vorhanden sind, wurden unter Annahme einiger Vereinfachungen durch abschnittsweise stetige Funktionen dargestellt. Damit wurde eine schnelle und handhabbare analytische Abschätzung der Größen des geschalteten Reluktanzmotors gewonnen. Außerdem lassen sich diese Funktionen in einer Fourierreihe entwickeln, um eine kontinuierliche mathematische Aussage zu gewinnen und dann diese nach Bedarf zu integrieren oder zu differenzieren. Die FEM-Analyse wurde durchgeführt, mit dem Ziel optimale Stator-Rotor-Blechschnitte zum Aufbau der Dreh- und Tragkräfte auszuwählen. Anhand der am Lehrstuhl Elektrische Maschinen und Antriebe der TU Chemnitz entwickelten Software „ANSYS-Modell Reluktanzmaschine" wurden verschiedene Stator-Rotor-Polkonfigurationen beim lagerlosen Betrieb analysiert. Der Einfluss des Parameters auf Drehmoment- und Radialkrafterzeugung wurde untersucht. Auf der Basis dieser Analyse wurde der lagerlose geschaltete Reluktanzmotor mit integrierter Drehmoment und Radialkrafterzeugung konstruiert. Nach dem Entwurf wurde der komplette Versuchsmotor in der Werkstatt der TU Chemnitz gefertigt. Die experimentellen Vermessungen am Muster weisen die erst nur theoretisch berechneten Motordaten nach. Ein dynamisches Modell der geschaltete Reluktanzmaschine wurde unter dem Matlab®-Simulink® geschaffen. Das Modell berücksichtigt die magnetische Nichtlinearität und kann sowohl auf FEM-Berechnungen des Drehmomentes und der Induktivität, als auch auf experimentellen M-i-θ- und L-i-θ- Kurven basieren. Ebenso wurde unter Matlab®-Simulink ein weiteres Modell erarbeitet, das die Simulation einer Schwebe des Rotors im Stillstand ermöglicht. Dieses Modell enthält unter anderem einen PID-Regler und konnte um eine Regelstrategie zum lagerlosen Motorbetrieb erweitert werden. Der wichtige Vorteil von beiden Modellen ist die Möglichkeit, sie ohne Kenntnisse der Programmiersprache durch „Real-Time-Interface"-Software auf einen Controller-Board zu implementieren. Die Erfassung der Rotorwinkelposition anhand des Resolvers und der radialen Rotorlage anhand von Wirbelstromsensoren wurden implementiert und am realen geschaltetem Reluktanzmotor erprobt. Ein Stellglied wurde erarbeitet und gebaut. Durch die Anwendung den Halbbrücken-Modulen mit integrierter MOSFETs und Freilaufdioden und besonders dichter Anordnung von GZWK-Kondensatoren und Treiber werden die parasitären Kapazitäten und Induktivitäten reduziert. Damit wird die Stromanstieg- und Stromabfallzeit reduziert. Infolgedessen ist es möglich die Wicklungsströme beim lagerlosen Betrieb schnell zu ändern. Auch vermindern sich die Probleme mit Platzbedarf und Kühlung. Die Ansteuerung von Leistungsventilen erfolgt durch PWM-Modulatoren in Kombination mit Hall-Stromsensoren. Man braucht nur den Sollwert anzugeben und dann nimmt die PWM-Regelung die Stromregelung direkt vor. Schließlich wurde das gesamte GRM-Antriebssystem als eine Kombination aus dem Testmotor, der Spannungsversorgungen, dem Leistungsumrichter, der Sensorik und dSPACE Controller-Board zusammengebaut. Das Resultat ist eine hohe Flexibilität und leichte Adaptierbarkeit für verschiedenen Steuer- und Regelalgorithmen. Dabei eröffnen sich neue Perspektiven bei Untersuchungen verschiedener Betriebsmodi der GRM. Das vorgestellte mathematische Modell des GRMs arbeitet ohne Berücksichtigung der Verschiebung des Rotors (d.h. es wurde angenommen, der Rotor liegt im Bohrungszentrum) und ohne Änderung der magnetischen Kopplung zwischen den Wicklungen. Bei den lagerlosen Motoren sind die Rotoren, wie bekannt vielfach exzentrisch gelagert. Darüber hinaus ist die Gegeninduktivität mit der Hauptinduktivität auch bei unsymmetrischer Feldverteilung vergleichbar. Dadurch wird die Ermittlung der Kraftwirkung noch mit zwei Unbekannten (Verschiebungskoordinate xv und yv) belastet. Im weiteren muss man also diesen wichtigen Umstand berücksichtigen, weil er die Kraftbildung beeinflussen kann. Die Regelung wird somit aufwendiger als bei klassischen Magnetlagern. Die Ströme, die für eine definierte Radialkraft und ein definiertes Drehmoment eingeprägt werden müssen, sind im allgemeinen abhängig von vier Variablen: Tragkraft, Winkelstellung des Rotors und seiner radialen Verschiebung. Außerdem kommen weitere nichtlineare Einflussfaktoren wie Sättigung und magnetische Kopplung hinzu. Als ein erster Schritt zur Lösung der Regelungsaufgabe könnte ein Ansatz, basierend auf einer Kombination zwischen analytischer und numerischer Berechnung, sein. Das bedeutet, dass die benötigten Wicklungsströme zunächst aus vorherigen FEM-Rechnungen für einen ganzen Arbeitzyklus zu gewinnen und als Wertetabelle abzulegen sind. Dann entscheidet die Wertetabelle jeweils in Abhängigkeit vom Rotorwinkel welcher Strom in welcher Wicklung einzuprägen ist. Dies ist aber nur dann möglich, wenn die Störkraft eine konstante Richtung und Amplitude hat. Falls sich der Vektor dieser Kraft ändert, müssen sich auch die Wicklungsströme ändern. Fazit: Ein gleichzeitiger Betrieb von drehmoment- und tragkraftgeregeltem Betrieb konnte mit der derzeitigen Hardware nicht erreicht werden. Die dazu durchgeführten Versuche in Simulation und Experiment ergaben, dass das Stellglied auf bipolaren Betrieb erweitert werden muss. An einer steuerungstechnischen Lösung der Aufgabe wird gearbeitet.
Publications
- Geschalteter Reluktanzmotor mit integrierter Drehmoment- und Radialkrafterzeugung. Forschungsvortrag, Chemnitz, Januar 2003
Gaptschenko, A.
- Selbstlagernde Motoren und aktive elektromagnetische Gelenke. Tagungsband, VDMA-Informationsveranstaltung Mechatronik, Frankfurt am Main, Februar 2003
Hofmann, W.; Hertel, L.; Gaptschenko, A.; Göbel, L.
- Untersuchungen zur Auslegung eines lagerlosen geschalteten Reluktanzmotors. 6. Workshop Mechatronische Systeme, Kassel-Zittau, September 2003
Gapchenko,A.; Hofmann, W.
- Analytically Computing Winding Currents to Generate Torque and Levitation Force of a New Bearingless Switched Reluctance Motor. EPE-PEMC 2006 Portorocz, Proceedings pp.1058-1063
Chen, L.; Hofmann, W.
- Performance Characteristics of one novel Switched Reluctance Bearingless Motor Drive. Power Conversion Conference 2007 pages 6
Chen, L.; Hofmann, W.
