5. PM-Rotoren mit Oberflächen- und vergrabenen Magneten

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1 5. PM-Rotoren mit Oberflächen- und vergrabenen Magneten

2 Rotorvarianten für f r PM Maschinen Oberflächenmagnete GFK: Glasfaserkomposit CFK: Kohlefaserkomposit GFK/CFK- Bandage Magnet Rotorblech Welle Vergrabene Magnete Magnet Rotorblech Ohne Flusskonzentration Mit Flusskonzentration

3 Oberflächenmagnete Befestigung der Magnete durch Bandage: Befestigung der aufgeklebten Magnete durch eine Glas- oder Kohlefaserhülse (Faser-Harz- Matrix = Bandage ). Klebung geht nicht in Festigkeitsbetrachtung ein. Aufpressen oder Aufschrumpfen ( Kaltschrumpfen ) der vorgefertigten Hülse (Bandage) mit Untermaß D. Es entstehen ein Anpressdruck auf die Magnete und eine tangentiale Vorspannung v in der Bandage Zusätzliche Effekte während w des Betriebs: Rotorerwärmung/Dehnung erhöht die Vorspannung, denn die Bandage dehnt sich thermisch nahezu nicht! Fliehkräfte auf die Bandage erhöhen Tangentialspannung Fliehkräfte auf die Magnete zehren den Anpressdruck auf An event. Pollücken entstehen Spannungsüberhöhungen!

4 Festigkeitswerte: Kohlefaser versus Dynamoblech E 11 E 12 t GPa GPa N/mm 2 Glasfaser (GF) (20 C) Kohlefaser (CF) (20 C) C-Faser-Matrix (CFK) 60% *) (20 C) (ca. - 50%) Temperatureinfluß auf t,lim 1650 (150 C) Fertigungseinfluß auf t,lim 1100 (150 C) Dynamoblech M (0.2% plast. Dehnung) aus Zugversuch 470 Streckgrenze M R p0,2 550 Streckgrenze Sonderblech 820 Streckgrenze *) 60% Faseranteil in der Matrix

5 Auslegung der Bandage auf Untermaß Aufschrumpfen oder Aufpressen der Hülse mit Untermaß D : Hooke sches Gesetz: E D V E D Bestimmung des Anpressdrucks aus der Kesselformel : V dbandage pv r dünne Schale Bandage Erhöhung des Untermaßes D durch Rotorerwärmung: Die Bandage dehnt sich mit der Temperatur nahezu nicht! Dehnung der Welle und der Magnete gemäß: l l therm Bandage ist dünne Schale Es ergeben sich neue Werte für D und D und damit erhöhte Spannungen: V,warm und p V, warm!

6 Auslegung der Bandage auf Überdrehzahl Einfluss der Fliehkraft (massgeblich( massgeblich: : Schleuderdrehzahl 1,2 n N!): Zusätzliche Tangentialspannung durch Bandagenfliehkraft: 2 2 t, ω( r ri ) 0,4125 Bandag e schl(0,424 ri 2 r 2 p r Prüfung der Bandage auf Bruchbedingungen: ) dicke Schale Zusätzlicher Innendruck durch Fliehkraft auf die Magnetsegmente: p B, Bandage Bandage schl hbandage 2 M, rm M schl hm Bei der Schleuderdrehzahl müssen 2 Bedingungen eingehalten werden: 1. Tangentialspannung in der Bandage unterhalb der Maximalspannung? t V,warm t, Bandage,max 2. Restanpressdruck auf die Magnete größer Null? p p p p 0 A V M, B, 2 a

7 Beispiel: Magnetgelagerter Antrieb - Rotor M1 N/mm dimensionale Bandagenberechnung t,lim = 1100 N/mm 2 n = min -1 rotor = 150 C v Vorspannung th Wärmedehnung Fliehkrafteinfluß Dünne Schale isotrop Dicke Schale isotrop Dicke Schale orthotrop Biegung isotrop Finite-Elemente Biegung, orthotrop

8 Vergrabene Magnete - Festigkeit des Dynamoblechs Magnete werden vom Rotorblech gehalten: keine Bandage mehr Luftspalt wird kleiner weniger Magnetmaterial erforderlich - Genaue analytische Spannungsberechnung schwierig FEM-Berechnung! - max. Spannung muss unterhalb der 0,2%-Dehngrenze des Bleches bleiben R p0,2 Spannungs- Dehnungs- Diagramm (Zugversuch) Quelle: VDI Physik für Ingenieure

9 Magnetfelder von vergrabenen und Oberflächenmagneten Vergrabene Magnete OHNE Flußkonzentration oben: vierpolige Maschine unten: 2-polige Maschine Oberflächenmagnete 2-polige Maschine (Nuten nicht dargestellt)

10 Magnetfelder von vergrabenen Magneten mit Flußkonzentration Streufluss der Magnete Vergrabene Magnete MIT Flußkonzentration: 24-polige Maschine Flußkonzentration funktioniert besser bei höheren Polzahlen (Nuten nicht dargestellt)

11 Beispiel: Vergleich PM-Rotoren mit Oberflächen- und vergrabenen Magneten

12 Beispielmotor: Direktantrieb für Bahnen Rated output P N per motor Maximum outer diameter d max of the motor Minimum inner diameter d min of the motor Maximum axial length of the motor 500 kw 590 mm 250 mm 900 mm Permanent magnets H 2 O Ø 920 / Ø max 1360

13 Geometry of the two designed motors Motor A Surface mounted magnets Outer / inner housing Water jacket Stator iron Two layer winding Air gap Bandage Flux barrier slot Permanent magnets Rotor iron Hollow shaft Motor B Buried magnets

14 Flux pattern of motor A and motor B at no-load operation Motor A I s = 0 Motor B Streufluss der Magnete 10

15 Flux pattern of motor A and motor B at rated speed and power Motor A (I s = 251 A) Motor B (I s = 283 A) q d q d q

16 Calculated losses at sinusoidal supply and rated operation 500 kw, 617 /min, 7700 Nm, Hz Motor A Motor B > Current 251 A 283 A > Ohmic and conductor eddy current losses at 115 C W W > Iron losses 5419 W 6519 W > Friction and windage losses 71 W 160 W > Eddy-current losses in the massive housing 251 W 465 W > Losses in the permanent magnets 20 W 0 W > Total losses P W W

17 Calculated losses at sinusoidal supply and maximum speed 500 kw, 2110 /min, 2270 Nm, 422 Hz Motor A Motor B > Current 253 A 260 A > Ohmic and conductor eddy current losses at 115 C W W > Iron losses 7755 W W > Friction and windage losses 357 W 521 W > Eddy-current losses in the massive housing 61 W 410 W > Losses in the permanent magnets 101 W - W > Total losses P W W

18 Total stator current of motor A and motor B Total stator current I S (A) Motor B (buried magnets) Motor A (surface mounted magnets) Frequency f (Hz)

19 Active masses of motor A and motor B 600 Total = 466 kg Total = kg m (kg) Motor A Iron rotor mass Magnets mass Iron yoke mass Iron teeth mass Copper mass Motor B