Vergleichende Betrachtungen zu BLDC-Maschinen

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1 Vergleichende Betrachtungen zu BLDC-Maschinen Femag Anwendertreffen 2016 Andreas Neubauer ate antriebstechnik und entwicklungs GmbH & Co. KG Institut für Elektrische Energiewandlung (IEW) Universität Stuttgart

2 Inhalt Entstehungsgeschichte der BLDC-Maschine Wesentliche Merkmale der BLDC-Maschine Analytische Drehmomentberechnung Eisenverluste bei blockförmigen Verläufen Vergleich zwischen BLDC und BLAC 2

3 Entstehungsgeschichte der BLDC-Maschine In den 1930er Jahren Suche nach verschleißfreien Alternativen zur Gleichstrommaschine Thyratrons (gest. Quecksilberdampfgleichrichter) als elektrische Kommutatoren Alexanderson baut Thyratron Motor mit 300 kw [1] Willis schaltet jede Spule separat 1938 [2] Innovation aus wissenschaftlicher Sicht: Ein aus dem Wechselstromnetz gespeister Motor mit dem Drehzahl-Drehmoment-Verhalten einer Gleichstrommaschine 3

4 Entstehungsgeschichte der BLDC-Maschine Erste Anwendungen in den 1950 Jahren Fortschritte in der Halbleiterentwicklung 1947 Bipolartransistor von Bell Laboratories 1949 Transistron von Mataré und Welker 1957 Thyristors von General Electric 1958 Halleffektsensor zur Positionserfassung Vermutlich erste BLDC-Maschine 1954 Schaltungsanordnung für kollektorlose Motoren DE B von M. Lavet und E. Dietsch 4

5 Entstehungsgeschichte der BLDC-Maschine Erfolgreicher Einsatz in der Raumfahrt Einsatz in der bemannten Raumfahrt in den 1960 Jahren Apollo Weltraummission 1 W 0,35 kw Sauerstoffversorgung Lageregelung [3] [Bild Wikipedia] 5

6 Die BLDC-Maschine aus heutiger Sicht Industriestandard 3-phasige Maschine in Sternschaltung Betrieb am Drehstromumrichter (B6) BLDC = 120 Blockkommutierung BLAC, PMSM = Sinusförmige Ströme und Spannungen Ist das wirklich so einfach? 6

7 Alte BLDC-Maschinen [4] [3] 7

8 Wesentliche Merkmale der BLDC-Maschine Die BLDC-Maschine ist selbstgeführt Nebenschlussverhalten Freie Wahl der Strangzahl und Verschaltung Uni- oder bidirektionale Ansteuerung der Stränge Variation der Stromflussbreite und Stromflusswinkel bei Blockkommutierung = BLDC Sinusförmige Verläufe als Sonderfall = BLAC 8

9 Drehmomentberechnung für permanentmagneterregte Maschinen Annahmen Selbstgeführte Maschine, d.h. fester Polradwinkel Energieerhaltungssatz Verlustfreie Energieumwandlung Mit linearen Materialeigenschaften und = ergibt sich 9

10 Drehmomentberechnung für permanentmagneterregte Maschinen II Bei idealer Betrachtung gilt für die Co-Energie Mit folgt Reluktanzmoment Rastmoment Elektromagnetisches Moment 10

11 Drehmomentberechnung für permanentmagneterregte Maschinen III Definition der Drehmomentkonstante (Ohne Sättigung) Definition der Spannungskonstante Ideale Maschine 11

12 3-strängige Maschine in Sternschaltung Vergleich Block (BLDC) vs. Sinus (BLAC) Randbedingung BLDC BLAC Vergleich Gleiche maximale Luftspaltflussdichte und Strangstrom + 25 % Gleiche Kupferverluste + 15 % Gleiche Kupfer und Eisenverluste Wie berechnen sich die Eisenverluste für blockförmige Verläufe? 12

13 Eisenverlustberechnung für blockförmige Verläufe Ansatz Summe der Harmonischen Bertotti [5] Hameyer[6] Jacobs[7] Waveformmethode Slemon[8] Miller[9] Grundwellenansatz Ideale Rechteckkurve ergibt Eisenverluste von Reale Verläufe von ausgelegtem Motor verwendet Änderung der Flussdichte Amplitude der Grundwelle um Faktor erhöht Faktor 4,35 2,4 1,6 13

14 Eisenverlustberechnung für blockförmige Verläufe: FEM-Berechnung Ansatz FEMAG 8.1 Faktor 2,2 - Summe über alle Netzelemente - Summe über alle Harmonische - k H und h W werden aus gemessenen Verlustdaten einmalig berechnet Mittelung über alle Frequenzen SmartFEM Summe über alle Netzelemente (m) - Summe über höchste 15 Harmonische (n) - Look Up in gemessene Verlustdaten von TKS 14

15 Eisenverlustberechnung für blockförmige Verläufe: FEM-Ergebnisse 15

16 Messung der Eisenverluste für annähernd blockförmige Verläufe Messprinzip [10] Ringkernprobe anhand realer Statorgeometrie Brockhaus MPG 200D [11] Beispiel einer Messung Rot = I Primärspule Grün = U Sekundärspule 16

17 Messung Eisenverluste Vergleich Flussdichte Blockform*/Sinus NO20 *Der Stromverlauf in der Primärspule ist je nach Betriebsunkt nicht ideal blockförmig siehe Folie 16 17

18 Messung Eisenverluste Vergleich Flussdichte Blockform/Sinus M270-35A 18

19 Messung Eisenverluste Vergleich Flussdichte Blockform/Sinus M400-50A 19

20 Eisenverlustberechnung für blockförmige Verläufe Fazit (1700 Hz) Weder theoretisch noch anhand praktischer Messungen kann ein allgemein gültigen Faktor für die Erhöhung der Eisenverluste bei blockförmigen Verläufen bestimmt werden. 20

21 3-strängige Maschine in Sternschaltung Vergleich Block (BLDC) vs. Sinus (BLAC) Randbedingung BLDC BLAC Vergleich Gleiche maximale Luftspaltflussdichte und Strangstrom + 25 % Gleiche Kupferverluste + 15 % Gleiche Kupfer- und Eisenverluste Bei NO20 und 1700 Hz, Faktor ca. 2 Ca % 21

22 Zusammenfassung Aus der Entstehungsgeschichte sind vielfältige Varianten der BLDC-Maschine bekannt. Gemeinsamer Nenner: Selbstgeführte Betriebsweise Uni- oder Bidirektionale Ansteuerung Nebenschlussverhalten Dreisträngige Maschine in Sternschaltung ist eine moderne Variante Ideale blockförmige Maschine liefert 25% mehr Drehmoment bei gleichem maximalen Fluss und Strangstrom 15% mehr Drehmoment bei gleichen Wicklungsverlusten Ca. 35% weniger Drehmoment bei gleichen Eisen- und Wicklungsverlusten Nachteil der BLDC-Maschine sind die vielfach höheren Eisenverluste Potential der BLDC-Maschine voll ausnutzen konzeptionell Eisenverluste minimieren Luftspaltwicklung Kunststoffgebundene Magnete 22

23 Literatur [1] E. F. W. Alexanderson und A. H. Mittag, The thyratron motor, Electrical Engineering, Bd. 53, Nr. 11, S , 1934, issn: doi: /EE [2] C. H. Willis, Study of the thyratron commutator motor, in General Electric Review, Bd. 36, 1938 [3] Nasa Technical Note D-2819, 1965 [4] D. Teuber, Elektrische Maschine für die Lagerregelung von Raumfahrzeugen über längere Zeiten, ETZ Bd. 86, 1965 [5] G. Bertotti, A. Boglietti, M. Chiampi, D. Chiarabaglio, F. Fiorillo und M. Lazzari, An improved estimation of iron losses in rotating electrical machines, IEEE Transactions on Magnetics, S , 1991 [6] M. Herranz Gracia, E. Lange und K. Hameyer, Numerical calculation of iron losses in electrical machines with amodified post-processing formula, COMPUMAG, [7] L. Vandenbossche, S. Jacobs und R. Andreux, An innovative approach for the evaluation of iron losses in magnetic laminations, applied to the optimization of highly saturated electric motors, [8] G. R. Slemon und X. Liu, Core losses in permanent magnet motors, IEEE Transactions on Magnetics, Bd. 26, Nr. 5, S , 1990, issn: doi: / [9] T. Miller, Back-emf waveforms and core losses in brushless dc motors, IEE Proceedings - Electric Power Applications, Bd. 141, Nr. 3, S. 144, 1994, issn: doi: /ip-epa: [10] Bestimmung der Kernverluste in einem magnetischen Kreis, Hanspeter Hochreutener, Martin Schlup, 12. Juni 2009 [11] Brockhaus Messtechnik Produktkatalog. Adresse: 23