Entwicklung und Konstruktion einer umrichtergespeisten magnetgelagerten Permanentmagnet - Synchronmaschine für 40kW / /min.

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1 Entwicklung und Konstruktion einer umrichtergespeisten magnetgelagerten Permanentmagnet - Synchronmaschine für 40kW / /min Dem Fachbereich 18 Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) vorgelegte Dissertation von Markus Klohr Dipl.-Ing. geboren am in -Heidelberg- Referent: - Prof. Dr.-Ing. habil Andreas Binder - Korreferent: - Prof. Dr.-Ing. Wolf-Rüdiger Canders - Tag der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: D 17 Darmstädter Dissertation

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3 Berichte aus der Elektrotechnik Markus Klohr Entwicklung und Konstruktion einer umrichtergespeisten magnetgelagerten Permanentmagnet - Synchronmaschine für 40kW / /min D 17 (Diss. TU Darmstadt) Shaker Verlag Aachen 2008

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2007 Copyright Shaker Verlag 2008 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 V Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für elektrische Energiewandlung der Technischen Universität Darmstadt unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil A. Binder. Ich danke Herrn Prof. Dr-Ing. habil A. Binder, dem Leiter des Instituts für Elektrische Energiewandlung der Technischen Universität Darmstadt für die Übernahme des Referats und die Unterstützung meiner Arbeit während der Zeit am Institut sowie das weitere Engagement und die Unterstützung in der Zeit nach der Anstellung am Institut, das wesentlich zum gelingen der Arbeit beigetragen hat. Herrn Prof. Dr.-ing. W-R. Canders, dem Leiter des Instituts für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen der Technischen Universität Braunschweig danke ich für die Übernahme des Co-Referats und die offenen und konstruktiven Gespräche. Meinen ehemaligen Kollegen danke ich für das angenehme Betriebsklima, den regen informations- und Diskussionsaustausch, sowie der Unterstützung während der Phasen an denen die Arbeit durch Rückschläge und Schwierigkeiten ins Stocken geraten ist. Des weiteren danke ich den Mitarbeitern der Werkstatt für Ihre tatkräftige Hilfe und Unterstützung bei der praktischen Realisierung der Arbeit. Hervorheben möchte ich hier Herrn Andreas Fehringer, ohne dessen Ideen, Improvisationstalent und unermüdliche Arbeit das Projekt so nicht hätte realisierst werden können. Und schlussendlich möchte ich noch meinen Eltern danken, die mir die Möglichkeit gaben diese Ausbildung zu schaffen und die mir immer eine Stütze waren und mir mit Rat und Tat zur Seite standen. Mannheim, Markus Klohr

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7 VII Kurzfassung Diese Arbeit befasst sich mit der Auslegung, Konstruktion und experimentellen Untersuchung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten und aktiver magnetischer Lagerung mit einer Leistung von 40 kw bei /min. Der Schwerpunkt liegt dabei nicht nur auf der Dimensionierung des Antriebs, sondern es wird auch auf die Besonderheiten des mechatronischen Gesamtsystems in jeweils getrennten Abschnitten eingegangen. Im ersten Abschnitt wird die analytische Auslegung des Antriebs über das Zeigerdiagramm erläutert und die dazu notwendige analytische Berechnung der Verluste sowohl des Motors als auch der eingesetzten Magnetlager vorgestellt. Neben der Beschreibung des verwendeten Magnetlagersystems wird die Erstellung eines Simulationsmodells des mechatronischen Systems unter MATLAB SIMULINK erläutert. Als Ausblick wird auf die mögliche Realisierung einer digitalen Regelung eingegangen und deren Funktionsweise mit Hilfe dieses Modells anhand zweier Simulationsbeispiele aufgezeigt. Weiter wird die Festigkeitsberechnung der rotierenden Teile betrachtet und im Detail die Auslegung der zur Fixierung der Magnete notwendigen Bandagierung erläutert. Die Ursachen für das mechanische Versagen des ersten Rotorentwurfs (Motor M1) werden untersucht und die notwendigen Änderungen in der Auslegung der Bandagierung für Motor M2 werden gezeigt. Der Aufbau und die Konstruktion der beiden entworfenen Antriebe M1 und M2 wird aufgezeigt und der verwendete Versuchsaufbau beschrieben. Die an diesem Aufbau gewonnenen Messergebnisse werden mit den zuvor analytisch bestimmten Werten verglichen und die Abweichungen analysiert und diskutiert. Die Messungen zeigen, dass der entworfene Antrieb nicht die angestrebte Nennleistung von 40 kw erreicht, da die Magnete zu klein bemessen sind. Darum wird abschließend ein verbesserter Entwurf mit höheren Magneten vorgestellt und über ein thermisches Modell bewertet. Abstract This work deals with the dimensioning, construction and experimental work of a permanent magnet synchronous machine with surface mounted magnets and active magnetic bearings with a power of 40 kw at rpm. The focus is not only on the motor design, but on the different aspects of the whole mechatronic system, which are described in separate sections. In the first section the analytic design of the motor via the phasor diagram is described. The necessary analytic calculation of the losses of the motor and the used magnetic bearings is presented. Besides the description of the used magnetic bearing system, a simulation model of the mechatronic system under MATLAB SIMULINK is developed. As outlook, a possible solution for a digital control is shown and the working principles are presented by means of two simulation examples. Further the calculation of the mechanical strength of the rotating parts is treated. The dimensioning of the bandage for the fixation of the magnets is presented in detail. The cause for the failure of the first bandage design of motor M1 was investigated and the required adaptations on the dimensioning for motor M2 are shown. The construction and assembly of the designed motors

8 VIII is shown and the used test bed is described. The results taken from measurements are compared with the calculated values and the variations are analyzed and discussed. The measurements indicate that the designed motor M2 is not able to reach the desired nominal power of 40 kw due to too small rotor magnets. Therefore the comparison is completed with an evaluation of an improved design with bigger magnet height which is assessed with a thermal model.

9 Inhaltsverzeichnis IX Inhaltsverzeichnis Formelzeichen... XIII 1 Hochdrehzahlantriebe Eigenschaften und Entwicklungstendenzen Bauformen von Hochdrehzahlantrieben Ziel der Arbeit Permanentmagneterregter Synchronmotor Randbedingungen des Entwurfs Auswahl der Magnetmaterialien Magnetischer Kreis Analytische Berechnung Berechnung der Luftspaltflussdichte mit Hilfe der Finiten Elemente Korrektur der analytischen Berechnung Berechnung der Motorparameter Berechnung des Wicklungswiderstands Berechnung der Induktivitäten Vergleich der Berechnungsergebnisse mit den gemessenen Werten Motorauslegung mit Hilfe von Ersatzschaltbildes und Zeigerdiagramm Analytische Berechnung der Verluste Verluste in der Ständerwicklung Ummagnetisierungsverluste Luftreibungsverluste Zusatzverluste im Rotor Zusammenfassung der Verlustberechnung Magnetlager Technische Daten und Systembeschreibung der Magnetlager Positionserfassung des Rotors Signalfilterung Regelung der Magnetlager Stromsteller Kennwerte der verwendeten Radial-Magnetlager Analytische Berechnung der Magnetlagerverluste Stromwärmeverluste im Magnetlagerstator Ummagnetisierungsverluste im Magnetlagerstator Ummagnetisierungsverluste im Magnetlagerrotor Oberflächenverluste in den Magnetlagerrotoren Zusammenfassung der Verlustberechnung im Magnetlagerrotor Überlegungen zu verschiedenen Regelkonzepten Rotormodell Lagermodell Stellermodell... 78

10 X Inhaltsverzeichnis Analoge und digitale PID-Regelung Vergleich der analogen und digitalen PID-Regelung Berechnung der mechanischen Rotoreigenfrequenzen Elastisches Verhalten des Rotors Eigenfrequenzberechnung des magnetgelagerten Rotors M Vergleich Rechnung Messungen der Eigenfrequenzen für Rotor M Festigkeitsberechnung Magnetlagerrotoren und Messspur Mechanische Auslegung der Bandage Materialauswahl und Belastungsgrenzen Analytische Berechnung der Bandage Technische Ausführung der Bandage für Motor M Versagen der Bandage des Motor M Schadensanalyse der Bandage M Optische Begutachtung Fehleranalyse Modifizierte analytische Berechnung der Bandagenfestigkeit Mechanische Spannungsberechnung mit Hilfe der Finiten Elemente Modifiziertes Design Bandage und Rotor M Technische Ausführung von Rotor M Berechnung der mechanischen Belastung der Bandage M Konstruktion der Prototypantriebe M1 und M Gehäuse mit Kabelführung und Wassermantelkühlung Kabelführung durch eingefräste Nuten (Variante 1) Herstellung der Kanäle durch Stoßen (Variante 2) Ausführung und Montage der Statoren M1 und M Fertigung der Rotoren M1 und M Wuchtung der beiden Rotoren Stator und Gehäuse vor der Montage Gesamtansicht der beiden Motoren Beschreibung des Versuchsaufbaus Versuchsanordnung PWM - Umrichterspeisung Polradlagegeber Temperaturerfassung Sicherheitskonzept der Prototypantriebe Betriebserfahrungen und Probleme mit dem Prüfstand Experimentelle Untersuchungen am Prototyp M Messung der Polradspannung U P Messung der Leerlaufverluste Bestimmung der Leerlaufverluste aus dem Auslaufversuch Bestimmung der Leerlaufverluste im Motorbetrieb

11 Inhaltsverzeichnis XI Messung der Wicklungserwärmung im motorischen Leerlauf Messungen unter Last Messung der Leistungsbilanz unter Last Messung der Wicklungserwärmung unter Last Bohrungsfeldmessung zur Bestimmung der stromrichterabhängigen Zusatzverluste Vergleich der Messergebnisse mit den berechneten Werten Strom-Drehmoment Kennlinie Vergleich der berechneten und gemessenen Verluste im Leerlauf Vergleich der berechneten und gemessenen Verluste unter Last Thermische Optimierung des Antriebs M Berechnung der Wicklungsübertemperatur Berechnung der thermischen Grenzleistung Potenziale zur Erhöhung der Grenzleistung des Antriebs Messung der Positionssignale der Welle Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A1 Parameter des Motors und der Magnetlager Anhang A2 Gemessene Stromspektren zu den Lastpunkten für Antrieb M Anhang A3 Gegenüberstellung der berechneten und gemessenen Einzelverluste für den Motor M Anhang A4 Messwerte der Lastpunkte und Leerlaufpunkte Anhang A5 Gemessene Temperaturverläufe beim Antrieb M Anhang A6 Matrizen des Magnetlagermodells und der Koordinatentransformationen Lebenslauf