Hochtourige Antriebe mit Permanentmagnetmaschinen und aktiver Magnetlagerung

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1 Mechatronik Frankfurt/Main - VDMA Hochtourige Antriebe mit Permanentmagnetmaschinen und aktiver Magnetlagerung Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Binder Technische Universität Darmstadt Landgraf-Georg-Strasse 4, D Darmstadt / fax 6033 abinder@ew.tu-darmstadt.de

2 Gliederung des Vortrags Bedeutung von Hochdrehzahlantrieben Motor-Auslegungsrichtlinien Vergleich Asynchron- vs. Synchrontechnik Maßnahmen zur Stromglättung Aktiv magnetgelagerte Hochdrehzahlantriebe Bandagenauslegung bei Permanentmagnetläufern Regelverhalten der Magnetlager Weiterarbeit

3 Bedeutung von Hochdrehzahlantrieben Hochdrehzahlanwendungen: technisch-wirtschaftliche Vorteile! Getriebelose Direktantriebe erfordern spezielle Hi-Speed-Elektromaschinen! Beispiele: Werkzeugmaschinen: High-Speed-Cutting: Verbesserte Schnittqualität bei verringerter Bearbeitungszeit /min, Leistung bis 100 kw Verdichter für gegebenen Volumenstrom und Gegendruck: hohe Drehzahl verringertes Bauvolumen /min bei kw Großverdichter: /min, z.b. 10 MW Hi-Speed-Kompressor (Piller) Mikrogasturbinen: dezentrale Energieversorgung: hohe Turbinendrehzahl, KEIN Getriebe: spezieller Hi-Speed-Generator erforderlich Weitere Beispiele: Rotierende Speicher, Starter-Generatoren in Flugtriebwerken, Bremsmaschinen für Prüfstände,...

4 Vorteile von Hochdrehzahlantrieben KEIN Getriebe Getriebekosten, Ölleckage, Ölwechsel, verschleißarm,keine Getriebeverluste, geringeres Geräusch,höhere Überlastbarkeit,... Integrierter Antrieb - kompakte Bauweise volumensparend Integration - verringerte Bauteilezahl - Einsparung toter Massen - neue Gestaltungsmöglichkeiten Kleiner Motor: Leistung aus Drehzahl - leichte Bauweise Erhöhte Dynamik - mechanisch steifer Antrieb Gaskompressor, 400 kw, 50000/min

5 AC-Motorkonzepte für Hochdrehzahl-Antriebe - Asynchron-Käfigläufer-Maschinen: - automatisch Feldschwächbar - kein Lagegeber erforderlich - Sonderform Massivläufer - Permanentmagnet-Synchron-Maschinen: - Oberflächenmagnete, Glasfaser-, C-Faserbandage - "Vergrabene" Magnete: - Läuferblech "hält" Magnete - gute Feldschwächmöglichkeit - Homopolar-Synchronmaschine: - Variable DC-Erregung - Wicklungsloser Läufer, aber - geringere Motorausnützung Asynchronrotor (Breuer) PM-Synchronrotor (TU Darmstadt) - Geschalteter Reluktanzmotor: - Wicklungsloser Läufer, aber Zahnrad -Pumpeffekt

6 Auslegungsrichtlinien für Hochdrehzahl-Motoren Bemessungsgrössen: Strombelag A, FlußdichteB, Stromdichte J Läufer-/mittlerer Lagerdurchmesser d/ d m, Läuferlänge l Fe Leistung: P ~ d 2 l Fe. A. B. n Wicklungserwärmung (Stromwärme): ϑ ~ A. J (Einfluss Kühlung) ABER: Ummagnetisierungsverluste P Fe ~ B 2. n x, x = ca. 1.8 Reibungsverluste P R ~ d. l Fe. n y, y = Zusatzverluste P ad ~ I 2. n z, z = ca Mechan. Spannung durch Fliehkraft: σ ~ v u2, v u = d. π. n (Umfangsgeschwindig.) Mechanische Steifigkeit: f e ~ d/l Fe 2 (Läufer-Biegeeigenfrequenz) Lagerung: Spezial-Kugellager v m = d m. π. n ~ d m. n Sonderkühlung / Abmessungsgrenzen / Sonderkonstruktion für Festigkeit

7 Vergleich Asynchron-/Synchronmaschine: 30 kw, 24000/min Identische Ständerausführung, Wassermantelkühlung, Spindellager: Asynchronmaschine mit Kupfer-Ovalstab-Kurzschlusskäfig, Synchronmaschine: PM-Läufer (Sm 2 Co 17 -Oberflächenmagnete) und Glasfaserhülse

8 Hi-Speed-Läufer: PM-Synchron- vs. Asynchron-Technik AC-Läufer: 24000/min 30 kw, d = l Fe = 90 mm 25 kw/dm 3 dauernd Vierpoliger PM-Läufer, geblechtes Joch, VOR dem Aufpressen der Glasfaser-Hülse Vierpoliger Asynchron- Kupferkäfig-Läufer mit Ovalstäben: Masse/Stab: 23 Gramm Fliehkraft/Stab: 0.6 Tonnen

9 Sinusbetrieb 800 Hz: Vergleich Asynchron-/PM-Synchron Motor Asynchron, Kupferkäfig PM-Synchron, Sm 2 Co 17 U s (verkett.), I s, cosϕ 330 V, 72.8 A, V, 62.2 A, 0.95 Drehzahl, Schlupf /min, /min, 0.0 Abgabeleistg. P out W W P Cu,s, P Cu,r 537 W, 251 W 353 W, 0 W P Fe, P R, P z 650 W, 480 W, 49 W 660 W, 440 W, 100 W Kühlwassertemp. ein: 41.5 C, aus: 47.5 C ein: 44.4 C, aus: 48.1 C Kühlwasserstrom 3.25 l/min 3.25 l/min Erwärmung: 84.5 K / 68.5 K 42 K / 36 K Wickelkopf / Nut *) Wirkungsgrad 93.7 % 95.1 % *) Erwärmung über Wasseraustrittstemperatur PM-Synchron: deutlich niedrigere Verluste und Erwärmung

10 Motorenprüfstand für /min, 30 kw Rotortemperatur-Messung Wasserkühlkreislauf PM- Synchron Test-Motor ASM Last 30 kw rpm 12 Nm 800 Hz Drehzahlmessung Drehmomentmesswelle

11 Umrichterspeisung Zum Vergleich: Sinusumformer (bis 800 Hz, 40 kva) PWM-IGBT-Spannungszwischenkreisumrichter: 90 kva, bis 1400 Hz (Schaltfrequenz 12 khz) Blocktaktung, variable Zwischenkreisspannung V, 50 kva, Transistor-Wechselrichter Umrichter-Ausgangsspannung Oberschwingungen im Strom Zusätzliche Luftspaltfelder Zusätzliche Motor- Verluste Erhöhte Erwärmung Abhilfe: Stromglättung durch Ausgangsdrossel bzw. Sinusfilter

12 PM-Synchronmotor: Gemessene Erwärmung in Ständerwicklung und Läufermagneten 60 (K) (K) ϑ: Wicklung ϑ: Magnet PWM mit Ausgangsdrossel + Blockspannung ++ PWM mit Sinusfilter +++ Sinusumformerspeisung +++ (PWM ohne Filter: ϑ zu hoch) Bei 30 kw, /min 20 0 Bei Leerlauf, /min

13 Numerische Berechnung der Zusatzverluste im Läufer Wassermantel Ständerblechpaket Zweischicht-Drehstromwicklung Luftspalt und Bandage Läufermagnete Läuferjoch Läuferwelle Ergebnis: Massives Läuferjoch: Zu hohe Verluste bei Blockspannungsspeisung; Abhilfe: Geblechtes Joch oder Sinusfilter

14 Magnetgelagerte PM-Synchron-Maschinen Lagerart Spindellager Hybridlager (Minimalschmierung) oder Magnetlager Drehzahl / min / min Kennwert n. d m mm/min mm/min Läuferumfangsgeschwindigkeit v u = 113 m/s v u = 180 m/s Bandage (Hülse) Glasfaser-Harz-Matrix C-Faser-Harz-Matrix Überdrehzahl / min / min

15 Magnetgelagerter PM-Synchronmotor 40 kw, /min Fanglager Statorpaket Wirbelstromsensoren Resolver Magnetlager Magnete Bandage Läuferwelle Kühlwasserzulauf

16 Technische Daten der magnetischen Lagerung F Lager = 600 N 8-polige Anordnung (Gewichtskraft ca. 100 N) Grunderregung: N 0 = 45, I 0 = 6 A Steuererregung: N 1 = 18, I 1 = 15 A d a d i l Fe = 154 mm = 90 mm = 40 mm δ Lager = 0.4 mm δ Fanglager = 0.2 mm

17 Motorkomponenten n N = min -1, P N = 40 kw Stator mit Wassermantelkühlung & vergossenem Wickelkopf Magnetlagerstator Lagerschild mit Sensoraufnahme & Wirbelstromsensoren PM Rotor

18 Bandagenauslegung Bandage ist vorgefertigte Hülse: Glasfaser o. Kohlefaser in Epoxidharz-Matrix Hülse wird aufgepresst oder aufgeschrumpft (Kaltschrumpfen des Läufers) Mechanische Belastung der Hülse auf Zug, in den Pollücken(α e < 1): Biegung Belastungsfaktoren: Temperatur Fliehkraft Vorspannung Pollücken α e < 1 Magnetkanten Axiale Dehnung Dehnung der Welle / Magnete, Bandage dehnt sich nicht Zehrt Vorspannung mit steigender Drehzahl auf Positiver Rest-Anpressdruck bei n schl erforderlich Niedrigere Fliehkraft: Biegemoment Lokale Kerbwirkung auf Bandage Verkopplung von radialer und axialer Dehnung n schl : Schleuderdrehzahl = 1.2n hier: n max schl = /min

19 Test von zwei Rotorvarianten Motorvariante M1 M2 starke Magnete schwache Magnete Aussendurchmesser d a 88.6 mm 83.6 mm Bandagendicke h b 5.7mm 4.7 mm Magnethöhe h m 7.0 mm 4.5 mm Polbedeckung α e Luftspalt δ 0.7 mm 3.2 mm Schrumpfmass D 0.24 mm 0.13 mm Montage der Bandage Axial aufgepresst Kaltschrumpfung des Läufers (flüssiger Stickstoff)

20 Vergleichsspannung (v. Mises, berechnet mit FEM, 2D) 1200 Max. zul. Spannung: N/mm 2 σ t,lim = 1100 N/mm n = min ϑ rotor = 150 C 600 σ v Vorspannung Rotor M2 Rotor M2 Rotor M1 σ th Wärmedehnung σ ω Fliehkraft 0 Analytisch M2 FEM 2D M2 FEM 2D M1 Bandage ist orthotrope Schale

21 Zerstörter Rotor M1 und neuer Rotor M2 Erster Rotor M1: Bruch bei 35000/min Bruchlänge gesamte aktive Länge Neuer Rotor M2

22 Regelverhalten der Magnetlager Gemessene Position x(t), y(t) des Wellenmittelpunkts bei n = 0: A) Abschweben (Lager ein ) B) Impulsantwort (Hammerschlag auf das Wellenende) A) 2 V/Div. 100 ms/div. B) 500 mv/div. 10 ms/div. Positionsmaßstab: c x,y = 20V/mm, δ Fanglager = 0.2 mm Fanglagerluftspalt

23 Vergleich verschiedener Regelverfahren: z. B. Abschweben Anschlagen des Rotors im Fanglager PID-Regler Zustandsregler mit Störmodell Zustandsregler mit I-Anteil x-koordinate / µm t / ms Sollwertvorgabe: x soll = 0 bei t = 0 bei Stillstand des Rotors (n = 0): Berechnung der Vertikalposition x(t)

24 Weiterarbeit Hi-Speed-Antriebe: z. B. Lagerloser Motor Klassische Magnetlagerung: Magnetische Radiallager Lagerloser Motor: Konventionelles Magnet-Radiallager Motor Lange Motorwelle zur Aufnahme von 2 Lagern und einem Motor Versuchsaufbau: P N = 40 kw n N = min -1 Lagerloser Motor 2 Drehstromwicklungen mit unterschiedlicher Polzahl (z.b. 2 u. 4) erzeugen sowohl Drehmoment als auch Radialkräfte: - Verkürzung des Antriebs möglich - Dreiphasiger Umrichter als Steller

25 Zusammenfassung Anwendung von Hochdrehzahlantrieben nimmt zu, da Einsparung mechanischer Komponenten möglich Entwicklung von Hochdrehzahlantrieben erfordert Spezialwissen: Kopplung von Magnetik, Thermik, Mechanik, Dynamik, Regelungstechnik, Leistungselektronik Fortschritte bei der Magnetlagertechnik erlauben kostengünstigere Lösungen, Einsatz von PM-Materialien senken die Verluste Digitale Regelungen ermöglichen Zusatzfunktionen wie Diagnose, Lagerlose Konzepte vereinfachen Leistungselektronik Hi-Speed-Antriebe: Marktreife Lösungen mit großem Innovationspotential