Elektromotor mit integrierter Leistungselektronik

Geometrieoptimierung für höhere Momente und Überlastbarkeit

| Autor / Redakteur: Felix Klute * / Gerd Kucera

Bild 1: Geometrische Maschinenparameter (der Rotor hat 12 Brotlaib-Magnete, welche mit der maximalen Magnethöhe h_PM und dem Polbe-deckungsfaktor a_P beschrieben werden).
Bild 1: Geometrische Maschinenparameter (der Rotor hat 12 Brotlaib-Magnete, welche mit der maximalen Magnethöhe h_PM und dem Polbe-deckungsfaktor a_P beschrieben werden). (Bild: Lenze)

Eine räumliche Nähe von Motor und Elektronik verbessert nicht nur Wirkungsgrad und Leistungsdichte, sondern hat auch Vorteile bei der Serienproduktion und senkt die Systemkosten.

Bei Industrieantrieben, die in hohen Stückzahlen hergestellt werden, stehen die kostengünstige und leicht automatisierbare Serienfertigung sowie eine hohe Momentendichte im Mittelpunkt. Nach dem Stand der Technik ist bei der Maschine für diese Anforderungen eine segmentierte permanentmagnet-erregte Synchronmaschine (PMSM) mit Zweischicht-Zahnspulenwicklung die Bauform der Wahl. Bei dieser Bauform können die Statorsegmente separat geblecht und bewickelt werden, was einen deutlich geringeren Materialverlust beim Blechen und eine leicht automatisierbare Bewicklung mit einem höheren Nutfüllfaktor mit sich bringt.

Aufgrund der kurzen Wickelköpfe haben Maschinen mit Zahnspulenwicklung eine höhere Momentendichte als Maschinen mit verteilten Wicklungen. Außerdem wird ein höherphasiger Motor verwendet, da dieser höhere Leistungsdichten und kleinere Rastmomente aufweist als ein vergleichbarer 3-phasiger Motor.

Nachfolgend wird die Optimierung von geometrischen Parametern des Aktivteils einer 5-phasigen PMSM mit 10 Nuten und 12 Polen mit Hilfe des FEM-Programmes FEMAG beschrieben. Hier werden als Bewertungskriterien der Wirkungsgrad eta, der Leistungsfaktor cos (phi), der Spannungsbedarf, die Materialkosten und die Momentenwelligkeit herangezogen. Die Maschine soll außerdem bis zum doppelten Nennmoment überlastbar und bis zur doppelten Nenndrehzahl feldschwächbar sein.

Zunächst werden das parametrisierte Modell und anschließend das Vorgehen der Parameteroptimierung betrachtet. Da bei industriell genutzten elektrischen Antrieben außerdem die Überlastfähigkeit vor allem im unteren Drehzahlbereich wichtig ist, werden im Anschluss für drei favorisierte Varianten die Überlastfähigkeit und die Feldschwächbarkeit diskutiert. Die fertig entwickelte Maschine soll später als Teil eines hochintegrierten Antriebs mit Leistungselektronik zum Einsatz kommen.

Stand der Wissenschaft und der Technik

Dreiphasige Maschinen dieser Bauform sind Stand der Technik. Maschinen mit mehr als drei Phasen sind im Bereich der industriellen Antriebstechnik noch nicht, u. a. auch mangels geeigneter leistungselektronischer Systeme, kommerziell verfügbar. Außerdem werden 3-phasige Maschinen typischerweise über Motorleitungen angeschlossen. Dies würde für höherphasige Maschinen einen proportional mit der Phasenzahl ansteigenden Verkabelungsaufwand bedeuten. Daher sind höherphasige Maschinen nur in Kombination mit integrierter Steuerungs- und Leistungselektronik interessant.

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