Entwicklung eines getriebelosen Transversalflussgenerators für Fluss-Strom-Anwendungen. S. Hieke, M. Stamann, T. Schallschmidt, R.

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1 Entwicklung eines getriebelosen Transversalflussgenerators für Fluss-Strom-Anwendungen S. Hieke, M. Stamann, T. Schallschmidt, R. Leidhold Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme , Magdeburg

2 1 Anforderungen Flusskraftgenerator

3 Umsetzungsmöglichkeiten Anforderungsprofil für Fluss-Strom-Systeme Anforderungen derzeitige Lösungen neues Konzept hohes Drehmoment Asynchrongenerator mit Direktantrieb geringe Drehzahl Getriebe variable Fließgeschwindigkeit feste Drehzahl, flache Turbinencharakteristik (suboptimal) MPPT, drehzahlvariabler geregelter Antrieb Wartung Getriebewartung wenig bewegte Teile Geräuschentwicklung hohe Drehzahl + geringere Drehzahl Getriebe lauter leiser

4 Umsetzungsmöglichkeiten Umsetzungsmöglichkeiten für langsamlaufende Direktantriebe Geometrie größerer Radius Verbesserung des Drehmoment- Gewichts- Verhältnisses Flußrichtung Radial (klassisch) Axial (Scheibenläufer) Transversal geschaltete Reluktanzmaschine Permanentmagnet Synchronmaschine Transversalfluss-Permanentmagnet-Synchrongenerator

5 Umsetzungsmöglichkeiten Umsetzungsmöglichkeiten für langsamlaufende Direktantriebe Geometrie größerer Radius Verbesserung des Drehmoment- Gewichts- Verhältnisses Flußrichtung Radial (klassisch) Axial (Scheibenläufer) Transversal geschaltete Reluktanzmaschine Permanentmagnet Synchronmaschine Transversalfluss-Permanentmagnet-Synchrongenerator

6 Umsetzungsmöglichkeiten Umsetzungsmöglichkeiten für langsamlaufende Direktantriebe Geometrie größerer Radius Verbesserung des Drehmoment- Gewichts- Verhältnisses Flußrichtung Radial (klassisch) Axial (Scheibenläufer) Transversal geschaltete Reluktanzmaschine Permanentmagnet Synchronmaschine Transversalfluss-Permanentmagnet-Synchrongenerator

7 Umsetzungsmöglichkeiten Umsetzungsmöglichkeiten für langsamlaufende Direktantriebe Geometrie größerer Radius Verbesserung des Drehmoment- Gewichts- Verhältnisses Flußrichtung Radial (klassisch) Axial (Scheibenläufer) Transversal geschaltete Reluktanzmaschine Permanentmagnet Synchronmaschine Transversalfluss-Permanentmagnet-Synchrongenerator

8 Eigenschaften Ständerjoch Wicklung Permanentmagnete Läuferjoch Bewegungsrichtung U-förmige Statorjoche Ringwicklung magnetische Fluss senkrecht zur Bewegungsrichtung gegenüberstehende Pole besitzen entgegengesetzte Polarität

9 Eigenschaften Ständerjoch Wicklung Permanentmagnete Läuferjoch Bewegungsrichtung U-förmige Statorjoche Ringwicklung magnetische Fluss senkrecht zur Bewegungsrichtung gegenüberstehende Pole besitzen entgegengesetzte Polarität

10 Eigenschaften Ständerjoch Wicklung Permanentmagnete Läuferjoch Bewegungsrichtung allen Statorpolen erzeugen den gleichen magnetische Fluss Weiterbewegung des Rotors Richtungsänderung des Statorflusses freiliegende Permanentmagnete haben keinen ferromagnetischen Rückschluss Magnete erzeugen Streufluss, der den Hauptfluss reduziert

11 Eigenschaften Eigenschaften Vorteile einfache Wicklung keine Wickelköpfe geringe Aktivmasse und geringeres Volumen hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich 860 Nm geringe dynamische Anforderungen Außenläufer geringe Eisenverluste kleine Polpaarzahl und Frequenz Herausforderungen Drehmomentwelligkeit aktive Kompensation Streuflussminimierung kleinere Polpaarzahl

12 Eigenschaften Eigenschaften Vorteile einfache Wicklung keine Wickelköpfe geringe Aktivmasse und geringeres Volumen hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich 860 Nm geringe dynamische Anforderungen Außenläufer geringe Eisenverluste kleine Polpaarzahl und Frequenz Herausforderungen Drehmomentwelligkeit aktive Kompensation Streuflussminimierung kleinere Polpaarzahl

13 Eigenschaften Eigenschaften Anforderungen an Konstruktion und Aufbau zweidimensionale Flussführung einfache Blechpakete möglichst kleine Polpaarzahl wenig Blechpakete und Magnete Skalierbarkeit 2- bzw. 3-phasige-Ausführung möglichst passive Kühlung einfache Kopplung verschiedener Anwendungen günstige Fertigung

14 Analytische Berechnung Numerische Simulation Ausgangsgleichungen (ohne Verluste) Leerlaufflussdichte: induzierte Strangspannung: mechanische Leistung: B PM = Br h M h M + δ u max i = w n P 2 B PM b i v P M = 3 2 umax i i max = M N ω Auslegung Schenkelmaße der U-förmigen Blechpakete Zahnlänge: b i = M N 3 n p B PM r A J max A W F Rotormantelfläche: A M = 2π r A l(n S, b i ) Maschinenvolumen: V M = π r 2 A l(n S, b i )

15 Analytische Berechnung Numerische Simulation Kraftdichte, Volumen und Außenradius ] Drehmomentdichte [ kn m Drehmomentdichte Außenradius [m] Volumen [dm 3 ] Volumen Außenradius [m] Spez. Drehmomentdichte [ ] kn m 4 Spez. Drehmomentdichte Außenradius [m] Schlussfolgerung Minimum Volumen geringe Kraftdichte Bewertung der volumenspezifischen Kraftdichte optimaler Radius: r A = mm

16 Analytische Berechnung Numerische Simulation Abschätzung der Zahngeometrie und Polpaarzahl geometrische Parameter eines Zahns: b i, b M, b W, h W analytische Abschätzung der Polbreite b M und Polpaarzahl Festlegung des Wicklungsfensters mit Querschnitt A W Kraftdichte [kn/mm 2 ] b i 3 b W A W 1 Ständer/Zahn 2 Läufer 1 3 Wicklung 4 Magnete h W 1 b M Polbreite b M [mm] 2

17 Analytische Berechnung Numerische Simulation Analytische Kraftberechnung unter Vernachlässigung der Verluste P mech = P el F v = i dψ dt F max = i A N db dx x= T 4 = i A N ˆB π τ x Tangentialkraft abhängig von der Steilheit Flussdichte in q-stellung höhere Kraftdichte bei gößerer Polpaarzahl

18 Analytische Berechnung Numerische Simulation Numerische Berechnung mittels finiter Elemente 3 Ableitung eines minimierten - Modells n S n p FEM-Simulation: Variation von Polbreite und Polteilung bei gegebener Durchflutung A Maximaldurchflutung Θ = 6000 A, Effektivstromdichte: 3 mm 2 Berechnung der maximalen Kraft in q-stellung und der Flussdichte in den Zähnen Berechnung von Kennfeldern

19 Analytische Berechnung Numerische Simulation Berechnete Kennfelder Kraft Kraftdichte Mittlere Flussdichte bei 5900 A F [N] b M [mm] b i [mm] F A [kn m ] 2 Verluste pro Strang bei 100 min b 40 M [mm] b i [mm] Drehmoment pro Strang B [T] b 40 M [mm] b i [mm] Drehmoment bez. Verluste Pv [W] b 40 M [mm] b i [mm] M [Nm] b M [mm] b i [mm] M [Nm Pv W ] b M [mm] b i [mm]

20 Analytische Berechnung Numerische Simulation Ergebnisse der geometrischen Optimierung Polbreite b M : 20 mm ; Polteilung τ = 48 mm : Polänge b i : 30 mm Wicklungsfenster: b W = 48 mm, h W = 48 mm, A W = 2304 mm Drehmoment [Nm] Durchflutung Θ [A] Sättigungsbereich oberhalb von Θ = 5000 A

21 Analytische Berechnung Numerische Simulation Ergebnisse der numerischen Feldberechnung (FEM-Comsol) 20 Polpaare optimal hinsichtlich Verluste und Kraftdichte Außenläufer mit Abmessungen: 330x460 mm dreisträngige Maschine mit P N = 4, 6 kw und η = 91 % 860 Nm bei 50 min 1 im Dauerbetrieb A Effektivwert Stromdichte J = 3 mm 2

22 Kupferringwicklung ohne Wickelköpfe 20 U-förmige Blechpakete Kupplung mit Passfedernuten zur exakten Ausrichtung

23 Kupferringwicklung ohne Wickelköpfe 20 U-förmige Blechpakete Kupplung mit Passfedernuten zur exakten Ausrichtung Winkelversatz: 6-3-phasig Winkelversatz: phasig

24 Kupferringwicklung ohne Wickelköpfe 20 U-förmige Blechpakete Kupplung mit Passfedernuten zur exakten Ausrichtung Winkelversatz: 6-3-phasig Winkelversatz: phasig

25 Aufnahme der Rotorglocke

26 nachfolgende Fragestellungen Maßnahmen zur passiven Kühlung P v 140 W pro Strang Optimierung der Fertigung Vorrichtungen zur Montage und Demontage der Rotorglocke? weitere Anwendungsfelder und Betriebsvarianten? Betrieb in rauer Umgebung

27 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!