Hochdrehzahlantriebe und mögliche Einsatzgebiete

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1 Hochdrehzahlantriebe und mögliche Einsatzgebiete Technisches Kolloquium Welten von morgen,, WITTENSTEIN motion control GmbH, Igersheim-Harthausen Technische Universität t Darmstadt Institut für Elektrische Energiewandlung Andreas Binder abinder@ew.tu-darmstadt.de Quelle:TU Darmstadt, Deutschland TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 1

2 Inhalt Einleitung E-Maschinentypen für Hochdrehzahleinsatz Bemessungsrichtlinien für Hochdrehzahlmaschinen Lagerungs- und Festigkeitsprobleme bei hohen Drehzahlen Ausführungsbeispiele und Anwendungen Zusammenfassung TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 2

3 Hochdrehzahlantriebe und mögliche Einsatzgebiete Einleitung TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 3

4 Einleitung - Vorteile von Hochdrehzahlanwendungen: Hohe Leistung P bei kleinem Bauvolumen ( Leistung aus Drehzahl ) Direktantriebe: kein Getriebe oder nur einstufige Getriebe P 2 n M - Die Drehzahl n bestimmt die Leistung, das Drehmoment M die Baugröße der rotierenden Maschine. - Dies gilt generell für alle Arten rotierender Maschinen! Beispiel: Kleiner E-Motor und kleiner Turbokompressor trotz hoher Leistung TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 4

5 Einleitung Typische Hochdrehzahlanwendungen: Turbokompressoren Turbomolekular-Vakuumpumpen Hochgeschwindigkeits-Dreh- und Fräsbearbeitung Motor-Generatoren für Schwungradspeicher Generatoren für Mikrogasturbinen E-Antriebe für Abgasturbolader Zentrifugenantriebe Antriebe für die Kunstfaserherstellung TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 5

6 Einleitung Typische High-Speed-Drehzahl- und Leistungsbereiche: - Pumpen: /min, ca kw - Lüfter, Verdichter: /min, kw - Werkzeugmaschinen: /min, bis 100 kw - Mikrogasturbinen: /min, 100 kw ABER auch: Großmaschinen: - Großverdichter: /min, 1 10 MW - Großgeneratoren: /min, bis 1000 MW TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 6

7 Einleitung - Was bedeutet Hochdrehzahl-Betrieb? NICHT NUR: hohe Drehzahl Umdrehungen pro Sekunde n! SONDERN: Hohe Rotorumfangsgeschwindigkeit v = d.. n >100 m/s. (d: Rotoraußendurchmesser) - Dadurch: Hohe mechanische Spannungsbeanspruchung der Rotorkonstruktion durch die hohe Zentrifugalkraft! 2 Rotor-Tangentialzugspannung: t ~ v (proportional zur Rotormassendichte und zu v 2 ) Beispiel: Zugfestigkeit von Stahlblech: R p, 0.2 = 0.2 = 350 N/mm 2 Dünner rotierender Stahlring mit Durchmesser d bei v = 211 m/s, =7850 kg/m 3 : Tangentialzugspannung: v t 2 350N/mm 2 TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 7 a) d = 1.3 m: n = 3000 /min b) d = 90 mm: n = /min.

8 Einleitung Das sind beides High-Speed-Antriebe! Vierpoliger PM-Rotor mit zwei Radialmagnetlagern d = 90 mm, 40 kw, /min Zweipoliger, elektrisch erregter Turboläufer mit Öl-Gleitlagern d = 1.2 m, 900 MW, 3000 /min Quelle:TU Darmstadt, Deutschland Quelle: 2007 Bryon Paul McCartney/ all rights reserved TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 8

9 Hochdrehzahlantriebe und mögliche Einsatzgebiete E-Maschinentypen für Hochdrehzahleinsatz TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 9

10 E-Maschinentypen für Hochdrehzahleinsatz + PM und elektr. erregte Synchronmaschinen PSM / SM Käfigläufer-Asynchronmaschinen ASM Homopolar-Synchronmaschine HSM Geschaltete Reluktanzmaschinen SRM Übersicht ausgeführter Hochdrehzahlantriebe (Literaturrecherche) IM PSM SM TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 10

11 E-Maschinentypen für Hochdrehzahleinsatz Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PSM) - Oberflächenmagnete - Kohlefaserbandage Vierpoliger PM-Rotor als lagerloser PSM- Antrieb mit einem Radialmagnetlager als zweite Lagerstelle d = 80 mm, 40 kw, /min - Rotorlagegeber oder geberloses Verfahren für feldorientierte Regelung Quelle: TU Darmstadt, Deutschland TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 11

12 E-Maschinentypen für Hochdrehzahleinsatz Käfigläufer-Asynchronmaschinen (ASM) - Kupfer-Käfigläufer - Zusätzlich: Rotor-Ringfixierung - Kein Rotorlagegeber nötig - Geblechte oder massive Läufereisenausführung Vierpoliger geblechter ASM-Rotor mit Spindellagern d = 90 mm, 30 kw, /min Wasser-Mantelkühlung Rotor-Ringfixierung Spindellager Quelle: TU Darmstadt, Deutschland TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 12

13 E-Maschinentypen für Hochdrehzahleinsatz Massivläufer-Asynchronmaschinen - Keine Rotorwicklung - Geschlitzter Massivrotor mit Kupfer- Endringen - Zusätzlich: ev. Rotor-Ringfixierung - Kein Rotorlagegeber nötig Vierpolige Massivläufer-ASM, Feldbild, Programm FLUX2D - Niedriger Leistungsfaktor Axial geschlitzter Massivläufer-Rotor mit Kupferendringen d = 90 mm, 15 kw, /min Quelle:TU Darmstadt, Deutschland TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 13

14 E-Maschinentypen für Hochdrehzahleinsatz Geschaltete Reluktanzmaschinen (SRM) - Keine Rotorwicklung - Kompakte Zahnspulen - Rotorlagegeber oder geberloses Verfahren für Stromeinprägung - Rotorlücken müssen amagnetisch verschlossen sein für niedrige Reibungsverluste Zweipolige, vierphasige SRM mit 8 Statorund 6 Rotorzähnen Quelle: Omekanda, A. et al. ICEM, 1992 TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 14

15 E-Maschinentypen für Hochdrehzahleinsatz Homopolar-Synchronmaschinen HSM Vierpolige, dreiphasige HSM mit Ringerregerwicklung und geteiltem Statorblechpaket Quelle: Kleinrath, H.: Stromrichtergespeiste Drehfeldmaschinen, Springer, Wien, 1980 TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 15 - Keine Rotorwicklung - Veränderliche Erregung über Stator- Ringwicklung - Keine Schleifringe - Minimum: Vierpolig - Rotorlagegeber oder geberloses Verfahren für feldorientierte Regelung - Massiver Eisenläufer - Relativ niedrige Flussdichten und Wirkungsgrade

16 Hochdrehzahlantriebe und mögliche Einsatzgebiete Bemessungsrichtlinien für Hochdrehzahlmaschinen TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 16

17 - Motoraktivabmessungen: Stator-Bohrungsdurchmesser d si ~ d Aktive Rotor-Eisenlänge l Fe - Motor-Scheinleistung S: Strangstrom und spannung: I, U: - Esson s Ausnützungsziffer: Bemessungsrichtlinien für Hochdrehzahlmaschinen C S /( d 2 l n) si Fe S 3 U I C ( 2 / 2) kw A B - Amplitude der Luftspalt-Flussdichte B, - Windungszahl je Strang N s Effektiver Strombelag: - Wicklungsfaktor der Drehfeldwicklung k W Wegen Hochdrehzahl: Hohe Reibungs-, Ummagnetisierungs- und Zusatzverluste: Verringerung von C nötig! C ~ A B, wennn A 6 N I /( ) s d si TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 17

18 n fs / - Statorfrequenz: z.b. n = /min, 2p = 4 Pole: f s = 1.33 khz - Die max. zulässige Umfangsgeschwindigkeit v max und die Drehzahl n ergeben den Läuferdurchmesser d: n v /( d ) d ~1/ n - Die erste Eigenbiegefrequenz begrenzt die Rotor-Schlankheit: - Rotor-Aktivvolumen V: - Ummagnetisierungsverluste P Fe pro Kühloberfläche A k : (Wärmeübergangszahl α) B absenken: - Stator-Zusatzverluste P ad,s pro Kühloberfläche A k : Stromdichte J absenken: Absenkung von C erforderlich: Bemessungsrichtlinien für Hochdrehzahlmaschinen p V B ~1/ 2 max max / 1.5 / n 3 ~ d l n Fe 0.2 J ~1/ n ~ A P Fe A ) ~ l Fe / d 2 s P /( k d f B ad, s Ak ) ~ 2 /( d J f C ~ A B ~1/ n empirisch: C ~1/ n s 2 TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 18

19 Bemessungsrichtlinien für Hochdrehzahlmaschinen n-p-übersicht ausgeführter Hochdrehzahlantriebe (Literaturrecherche) + PSM und el. err. Synchronmaschinen Käfigläufer-ASM Homopolar-Synchronmaschinen lgn lgp n in 1/s, P in W C ~ A B ~1/ n 1.6 TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 19

20 Bemessungsrichtlinien für Hochdrehzahlmaschinen Verluste durch Stromwelligkeit bei Umrichterspeisung U ~ n N k - Spannung: : n ~ f s hoch, daher N s ~ 1/f s klein - Motorinduktivität relativ klein: s w d l B Fe 2 2 ~ 0 Ns lfe ~1/ fs - Hohe Statorfrequenz (z. B. n = /min, zweipoliger Motor: f s = 3.3 khz), daher hohe Schaltfrequenz nötig f T 5f s für PWM - Stromwelligkeitsamplitude I T durch PWM relativ groß: T (U T : Amplitude der schaltfrequenten PWM-Spannung bei f T ) L I ~ U /( f L) ~ T T f s Resultat: Für niedrige Stromwelligkeit zur Verringerung der dadurch verursachten Zusatzverluste: a) sehr hohe Schaltfrequenzen f T b) 3-Punkt- statt Zweipunkt-Wechselrichter c) (nachgeführte) Sinus-Ausgangsfilter TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 20

21 Hochdrehzahlantriebe und mögliche Einsatzgebiete Lagerungs- und Festigkeitsprobleme bei hohen Drehzahlen TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 21

22 Lagerungs- und Festigkeitsprobleme bei hohen Drehzahlen n-p-übersicht ausgeführter Hochdrehzahlantriebe mit Angabe des Lagertyps (Literaturrecherche) Geregelte Magnetlager Kugel-Spindellager Luftlager TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 22

23 Lagerungs- und Festigkeitsprobleme bei hohen Drehzahlen High-Speed Mechanische Lager bei ausreichend kleiner Leistung: - Spindellager ( = kleine Kugeln = kleine Zentrifugalkräfte) - Öl-Minimal-Schmierung für kleine Reibungsverluste - Hybridlager (Keramikkugeln) für erhöhte Steifigkeit Zulässige Lagerumfangsgeschwindigkeit d m n : d m n = (1 2) mm/min d m : Mittl. Lagerdurchmesser (mm), n: Drehzahl (1/min) Geregelte Magnetlager: Plus: - Kein mech. Kontakt - Kein Schmiermittel - Keine Lagerwartung - Sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 23 Minus: - Extra DC-Chopper-Speisung und Regelung - Abstandssensorik, Fanglager - Verlängerung der Maschine - Geringere dynamische Steifigkeit

24 Lagerungs- und Festigkeitsprobleme bei hohen Drehzahlen Quelle: EAAT, Chemnitz Quelle: TU Darmstadt d = 90 mm, P = 40 kw, n = 40000/min Radialmagnetlager: Luftspalt 0.4 mm Fanglagerluftspalt: 0.2 mm 40 kw, 40000/min PM-Rotor mit zwei Radialmagnetlagern Motor-Luftspalt: 0.7 mm Max. Magnetlagerkraft = 6-fache Gewichtskraft TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 24

25 Lagerungs- und Festigkeitsprobleme bei hohen Drehzahlen Magnetfixierung durch das Rotorblech: ( vergrabene Magnete) Keine Bandage Kleiner magnetisch wirksamer Luftspalt Flusskonzentration bei High-Speed i.d.r. nicht möglich - Genaue mech. Spannungsberechnung bei 120% Überdrehzahl erforderlich - Soll: Max. Vergleichsspannung unter 0.2%-Dehnungs-Zugspannung R p0,2 R p0,2 Quelle: VDI Physik für Ingenieure Spannungs- Dehnungsdiagramm von Stahlblech: ( ) TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 25

26 Lagerungs- und Festigkeitsprobleme bei hohen Drehzahlen Beispiel: Bandagenbruch durch zu hohe Magnetkantenpressung Bandagenbruch bei 35000/min Bruchlänge Eisen-Aktivlänge Unterschiedliche Fliehkräfte im Polund Pollückenbereich Magnetkanten schneiden in die Bandage. Es kommt zum Bruch! Quelle: TU Darmstadt d = 90 mm, P = 40 kw, n = 40000/min 4-poliger PM-Rotor mit 85% Polbedeckung und einer Kohlefaserbandage, mit Magnetlagern TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 26

27 Hochdrehzahlantriebe und mögliche Einsatzgebiete Ausführungsbeispiele und Anwendungen TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 27

28 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Hochdrehzahl-Gaskompressor n 50000/ min, v d n 280m/s, d 107mm si si Quelle: Piller, Deutschland Magnetlagerung axial und radial 400 kw, 50000/min Kleine Kompressorradabmessungen Kohlefaserbandage Getriebelos TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 28

29 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Mikrogasturbine: getriebelos, daher Hochdrehzahl-PSM-Generator nötig (z. B. 100 kw) PM-Rotoreisen Rekuperator Kompressorrad Gasturbine Wärmetauscher = Warmwasserbereitung Generator Rekuperator Rekuperator = Luftvorwärmer Quelle: ABB, Schweden TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 29

30 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Mikro -Gasturbine: Vorteile: Gleichzeitige Erzeugung von Wärme und el. Energie, daher hoher thermischer Wirkungsgrad hohe Gasausnutzung! Quelle: Capstone, aus: BWK 64 (2012), no. 11 TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 30

31 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Massiveiserner Rotorkörper für hohe Biegeeigenfrequenz Spezial-Luftlager Getriebeloser high-speed PSM - Generator /min, 2300 Hz, vierpoliger PSM-Rotor Kohlefaserbandage Quelle: ABB, Schweden Stator-Drehfeldwicklung vergossen in Harz, Luftmantelkühlung TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 31

32 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Mikrogasturbinen - Typische Leistungen kw ( mikro ) - Drehzahlen / min - Lärm: nur ca. 65 db(a) in 1 m Abstand - Elektrischer Wirkungsgrad 28 33% - Thermischer Wirkungsgrad 75 90% - Lebensdauer h - Wartungsintervalle h - Generalüberholung nach h Quelle: BWK 62 (2010), no. 9, p. 65 TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 32

33 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Hochdrehzahl-Notstromaggregat: JetVolt-System (1) Stromerzeugung mit einer Gasturbine mit integriertem Getriebe und Steuereinheit Turbine (ohne Rekuperator ausgeführt): daher nur 10 kg bei 14 PS, /min - sehr klein und leicht - im Vergleich zu einem Dieselaggregat 3 5- mal kleiner - Verschiedenste flüssige Brennstoffe einsetzbar, da Turbine mit dem Rauchgas betrieben Generator über ein Getriebe 5:1 auf /min übersetzt, dadurch wirkt Turbinenträgheitsmoment 25-fach = geringer Drehzahleinbruch bei Lastzuschaltung Quelle: Wittenstein, Deutschland & Jakadofsky, Kottingbrunn, Österreich Generator Turbine mit Gehäuse Getriebegehäuse Turbinenrad TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 33

34 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Hochdrehzahl-Notstromaggregat: JetVolt-System (2) Turbinenabgastemperatur: bei Leerlauf ca. 350 C, bei Last ca. 600 C Schalldruckpegel in 1 m Abstand bei Verwendung eines Auspuffsystems: ca. 67 db(a) Lebensdauer des Turbinenrads: ca. 300 Volllast-Betriebsstunden Generator Turbine mit Gehäuse Quelle: Wittenstein, Deutschland & Jakadofsky, Kottingbrunn, Österreich Getriebegehäuse Turbinenrad TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 34

35 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Anwendungen für das Hochdrehzahl-Notstromaggregat JetVolt Autarke Energie für Pumpen u. Tauchpumpen, z. B. Techn. Hilfswerk (THW), Feuerwehr, Stromversorgung für Baustellen Autarke Energie für mobile Arbeitsmaschinen bzw. Plattformen Militärische Zwecke Quelle: Wittenstein, Deutschland & Jakadofsky, Kottingbrunn, Österreich TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 35

36 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Hochdrehzahlantrieb cyber speed motors ca. 4 kw bei /min Hochdrehzahlantrieb für höchste Leistungsdichte bei hohen Drehzahlen Feedback: geberlos Kühlart: wassermantelgekühlt Schutzart: spritzwassergeschützt Quelle: Wittenstein, Deutschland TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 36

37 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Hochdrehzahlantrieb cyber speed motors: Motorkennlinie Kurzzeitig S2 Spannungsgrenze Dauernd S1 Quelle: Wittenstein, Deutschland TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 37

38 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Hochdrehzahlantrieb cyber speed motors: Motorparameter n max = /min n N = /min Wärmeklasse H 180 C TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 38

39 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Kleinstgenerator als tragbare Stromversorgung über eine Kleinst- Gasturbine 100 W, /min Stator Umrichter Drehmoment M N 2 mnm Phasenspannung U N 11 V Phasenstrom I N 3 A Frequenz f N 8.3 khz Rotoraußendurchmesser d 6 mm Aktiveisenlänge l Fe 15 mm Rotor d m : mittlerer Lagerdurchmesser - Zweipoliger PSM mit Blockspannungsspeisung - Titan-Rotorbandage - Umfangsgeschwindigkeit: 157 m/s - Mechanische Lager n d m 2 (rel. kurze Gesamtbetriebszeit) 10 mm/min Quelle: Zwyssig et al., ETH Zürich, Schweiz 6 TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 39

40 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Hochleistungs-Hochdrehzahl-Käfigläufermotoren als Gaskompressorantriebe 15000/min, 4 MW Käfigläufer-Rotor - Bemessungsdaten: 4 MW, 15000/min, 2.5 knm 16 MW, 6000 /min, 25.5 knm - Zweipolig, Kupferkäfig, Massiveisen-Rotor, v = ca. 240 m/s - Radialmagnetlager, Betriebsdrehzahl oberhalb der ersten Biegekritischen - Mittelspannungs-IGBT-PWM-Umrichter Quelle: Siemens AG TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 40

41 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Quelle: Uni. Stuttgart & FSZ Karlsruhe, Deutschland Schwungradspeicher mit Homopolar-Generator Fanglager HTSL-Magnetlager 77 K (Yttrium-Barium-Cuprat) HTSL = Hochtemperatur- Supraleiter Schwungrad Homopolar-Generator Schwungrad HTSL-Magnetlager 77 K Fanglager 300 Wh, 10 kw, /min Vakuumbetrieb TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 41

42 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Lagerloser Hochdrehzahl-PSM als Kompressorantrieb 500 W, /min 32 mm Rotor-Leerlauffeld, Programm FEMAG Axial- & Radialmagnet-Lager Lagerloses Konzept: Zwei 3-phasige Statorwicklungen mit der Polzahldifferenz 2 ergeben einen magnetisch einseitigen Zug, der als Magnetlagerkraft genutzt wird Zweipolige Antriebswicklung 2p 1 = 2 Vierpolige Tragwicklung 2p 2 = 4 TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 42 Lagerloser PSM als Motor UND Radialmagnetlager Quelle: TU Darmstadt, Deutschland

43 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Ausgeführter Prototyp 500 W / /min Ansteuerung des lagerlosen Motors mit der Leistungselektronik ML51008 (LEViTEC) Axialsensor- Magnetlager PM-Rotor Mess- Kompressor- Spur mit Messspur spur rad - Stator: Luft-Oberflächengekühlt (natürl. Konvektion) - Rotor: PM-Läufer: NdFeB-Magnethülse - Kohlefaserbandage TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 43 Rotation bis /min Tragwicklung als Magnetlager: Feldorientierte d-q-strom- Regelung Zweiter Lagerpunkt ist Kombi- Axial-Radial-Magnetlager Quelle: TU Darmstadt & Levitec, Lahnau, Deutschland

44 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Lagerloser Motor 40 kw, /min mit Axial-Radial-Magnetkombilager Resolver Lagerloser Motor Kombilager Quelle: TU Darmstadt & Levitec, Lahnau, Deutschland TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 44

45 Ausführungsbeispiele und Anwendungen Läufer des lagerlosen High-Speed PSM-Motors 40 kw, 40000/min 40000/min 40 kw Vierpolig f s = 1333 Hz v = 167 m/s LAGERLOSES Tragen: Zwei 3-phasige Statorwicklungen: Vierpolige Antriebswicklung 2p 1 = 4 Sechspolige Tragwicklung 2p 2 = 6 - Rotor geschleudert bei 44000/min (v = 185 m/s) Quelle: TU Darmstadt & Levitec, Lahnau, Deutschland TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 45

46 Hochdrehzahlantriebe und mögliche Einsatzgebiete Zusammenfassung TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 46

47 Zusammenfassung - Hochdrehzahl = hohe Läufer-Umfangsgeschwindigkeiten m/s - Kleines Volumen-Leistungs-Verhältnis & getriebeloses Antriebssystem - Großer Bereich Leistung/Drehzahl gebauter Hi-Speed-Antriebe: /min, 0.1 kw 3800 /min, 80 MW - PM & elektr. erregte Synchronmaschinen, Käfigläufer- & Massivläufer- Asynchronmaschinen, Homopolarsynchronmaschinen, geschaltete Reluktanzmaschinen - Umrichterausgangs-Grundfrequenz bis zu einigen khz - Ausgangsfilter oder andere Stromglättungsmaßnahmen empfohlen - Breite Einsatzmöglichkeiten: Deshalb deutliche Zunahme von Hi-Speed- Anwendungen zu erwarten TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 47

48 Hochdrehzahlantriebe und mögliche Einsatzgebiete Danke für ihre Aufmerksamkeit! Quelle: TU Darmstadt, Deutschland TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 48