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Geberlose Synchronmaschine

Software ersetzt Drehgeber beim Regeln von Synchronmotoren

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Vervielfachung der Dynamik im unteren Drehzahlbereich

Die Literatur empfiehlt eine Auswertung der gegeninduzierten Spannung (EMF) im oberen und der Induktivitätsdifferenz (magnetische Anisotropie) der SM im unteren Drehzahlbereich. Bitflux nutzt zu jeder Zeit beide Informationen und erlaubt damit insbesondere im unteren Drehzahlbereich eine Vervielfachung der erreichbaren Dynamik. Durch zusätzliche Berücksichtigung parasitärer Effekte ist es Bitflux möglich, geberlos einen höhere Reglerbandbreite zu erreichen als mit einem 1024-Strich-Inkrementalgeber.

In Bild 2 ist eine Drehzahlregelung mit dynAIMx (schwarz) und einem Inkrementalgeber (rot) dargestellt. Aufgrund der hohen Drehzahlverstärkung sind insbesondere im geberbehafeteten Fall deutliche Schwingungen im Drehmoment zu erkennen. Darüber hinaus gibt es mangels Umschaltung bei Bitflux auch kein Stabilitätsproblem im Übergang zwischen kleinen und hohen Drehzahlen.

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Geräusch und Verluste: Die Ermittlung der Rotorlage um Drehzahl Null erfordert die Vermessung der Induktivität der Maschine (Anisotropie basierte Verfahren). Hierzu ist es erforderlich, hochfrequente Signale auf die Ausgangsspannung des Stromreglers zu addieren (Injektion).

Aufgrund oben genannter Vereinigung beider physikalischen Quellen zur Positionsbestimmung und einer intelligente Auswertung der Stromsensorik ermöglicht es dynAIMx, die Injektionsamplitude im unteren Drehzahlbereich im Vergleich zu anderen Verfahren über 10-fach abzusenken. Damit sind die einhergehenden Injektionsgeräusche und -verluste minimal.

Geneignete Maschinentypen für die Software dynAIMx

Bezüglich der intelligenten Stromauswertung bietet Bitflux verschiedene Konzepte, die sich abhängig von der verwendeten Hardware-Plattform unterscheiden. Während in Anwendungen mit IGBTs das Ziel ist, die Injektionsamplitude auf ein Minimum zu reduzieren, wird für MOSFET basierte Endstufen die Injektionsfrequenz in den nicht hörbaren Bereich verschoben (größer gleich 20 kHz). Für IGBT-Anwendungen resultiert ein Injektionsstrom, welcher etwa Faktor 100 unter dem Maschinen-Nennstrom liegt und dadurch auch für große elektrische Maschinen vernachlässigbar kleine Verluste hervorruft.

Unter dem Begriff Synchronmaschine verbergen sich diverse Maschinentypen, die sich hinsichtlich der Stator- und Rotoreigenschaften wesentlich unterscheiden. Im Folgenden werden diese Maschinen kurz aufgelistet und anhand der Eignung für dynAIMx bewertet.

Interior PMSMs verfügen über im Rotor vergrabene Permanentmagnete und besitzen daher eine große magnetische Anisotropie. Dieser Maschinentyp ist ideal geeignet für den Betrieb mit dynAIMx. Eine Ausnahme besteht in Traktionsanwendungen, wenn die IPMSM mit einer konzentrierten Statorwicklung und Wasserkühlung verwendet wird. Hier bestehen Probleme beim Anlauf unter Last.

Surface PMSM: Aufgrund der an der Rotoroberfläche aufgeklebten Magnete ist die Anisotropie bei dieser Maschine deutlich geringer als bei der IPMSM. Aus diesem Grund sollte eine intelligente Auswertung der Ströme angewendet werden. Allerdings zeigt die SPMSM ein magnetisch sehr lineares Verhalten, wodurch eine sehr hohe Performance von dynAIMx möglich ist. Dieser Maschinentyp ist oft auch mit konzentrierter Statorwicklung vorhanden, was eine Anwendung von dynAIMx verkompliziert.

Field intensified PMSM: Diese Maschine enthält schwächere bzw. günstigere Magnete (Ferrit anstatt Neodym) als die oberen beiden Typen und wird daher mit einem zusätzlichen positiven d-Strom betrieben. Für dynAIMx eignet sich dieser Maschinentyp sehr gut.

RSM: Die RSM besitzt keine Permanentmagnete und erzeugt ihr Drehmoment nur, wenn sowohl d- als auch q- Strom vorhanden sind. Für dynAIMx eignet sich die Maschine gut, da immer eine ausreichende Anisotropieinformation zur Verfügung steht. Allerdings sind aufgrund des stark nichtlinearen Verhaltens die dynamischen Eigenschaften etwas schlechter als bei Maschinen mit Permanentmagnet.

BLDCM: Dieser Motor entspricht von der Bauweise im Wesentlichen einer SPMSM für kleine Leistungen. Die Bezeichnung BLDC (Brushless DC) resultiert eher aus der Ansteuerung, bei der aus Kostengründen keine sinusförmige Spannung moduliert wird, sondern eine blockförmige. Ausführlich wird dieser Motortyp in [1] behandelt. Grundsätzlich eignet sich der BLDCM in gleicher Weise gut für dynAIMx wie die SPMSM.

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