Entwurf und Optimierung eines permanentmagneterregten Servoantriebs auf der Basis des Tauchspulenprinzips
Final Report Abstract
Ziel des Forschungsvorhabens war es, Konzepte für eisenlose permanentmagneterregte AC-Servomotoren auf der Basis des Doppelspulenaktors in dreisträngiger Technik für den Betrieb an handelsüblichen Sinusstrom-Servostromrichtern aufzuzeigen, ein ausgewähltes Konzept eines solchen Doppelspulen-Servomotors zu modellieren sowie die Möglichkeiten für die Berechnung des stationären Betriebsverhaltens in Form eines Berechnungsprogramms zu schaffen. Auf der Basis dieses Berechnungsprogramms ein Funktionsmuster optimiert auszulegen, das Funktionsmuster zu bauen, im direkten Vergleich zur Simulation experimentell zu erproben und die Ergebnisse im Vergleich zur aktuellen Servomotoren-Produktgeneration zu diskutieren. Auch Doppelspulen-Servomotoren bestehen aus einem Läufer, der entsprechend der Polzahl mit Permanentmagneten besetzt ist, sowie einer 3-strängigen Wicklungsanordnung im Ständer. Es sind die Grundvarianten "Realisierung mit drei Einstrangmodulen" und "Realisierung mit einem Dreistrangmodul" möglich. Als Basis für die Funktionsmusterauslegung wurde ein Berechnungsprogramm für die Simulation des stationären Betriebsverhaltens unter Berücksichtigung eines thermischen Modells erstellt und ein 12-poliges Funktionsmuster mit drei Einstrangmodulen in Achshöhe 100 ausgelegt, gebaut und experimentell erprobt. Im Gegensatz zu klassischen Servomotoren steigt das S1-Drehmoment mit der Drehzahl stetig an, da die Entwärmung der Doppelspulen durch die Lufttransportwirkung der Rotormagnete verbessert wird. Wegen der im Vergleich zu klassischen Servomotoren fehlenden Eisenverluste kann der Doppelspulen-Servomotor auch im starken Teillastbetrieb höhere Wirkungsgrade ermöglichen. Eine solche positive Teillasteigenschaft wird von Servoantrieben allerdings nicht benötigt. Die vorhandene positive Teillasteigenschaft bietet sich aber für kleinere Hauptantriebe mit der Forderung nach höherer Energieeffizienz an. Von dynamischen Servoantrieben wird besonders der kurzzeitige Überlastbetrieb gefordert. Genau hier weist der Doppelspulen-Servomotor eine klare Schwachstelle auf, da im Vergleich zum klassischen Servomotor mit Blechpaketausführung beim Doppelspulen-Servomotor die thermische Ankopplung der Wicklung fehlt. Im Vergleich zum klassischen Servomotor sind daher nur kleinere Überlastfaktoren thermisch möglich. Bei gleicher Aktivteilmasse entwickelt das Funktionsmuster im Vergleich zum klassischen Konzept ein um rund 25 % höheres Stillstandsmoment. Damit besitzt das Funktionsmuster zumindest einen leichten Vorteil. Dieser Vorteil baut sich jedoch deutlich aus, wenn das Bemessungsmoment betrachtet wird. Die Ergebnisse der Funktionsmustererprobung und die Vergleiche mit der aktuellen eisenbehafteten Produktgeneration zeigen, dass Anwendungsgebiete für das Konzept des Doppelspulen-Servomotors besonders bei energieeffizienten Hauptantrieben des unteren Leistungsbereichs und eingeschränkt bei hochdynamischen Stell- und Positionierantrieben zu finden sind. Denkbare Applikationen wären neben weniger dynamischen Servoantrieben zum Beispiel kleinere integrierte Pumpen- oder Lüfterantriebe im Sinne eines mechatronischen Systems.
