PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG

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1 PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Konzepte, Topologien Bewertungskriterien Vergleich der Wicklungs- und Magnetkonzepte Magnetwerkstoffe: NdFeB oder Ferrit Simulation mit FEMAG PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/1

2 Wicklungen : Spannungs-, Magnetfelderzeugung Verteilte Spulenwicklung S c a b Einzelspulenwicklung (Zahnspulen) S a b N N c b b a N B a N S S B c c Längsflussmaschinen: Wicklungen: einlagig mehrlagig Wicklungen liegen in Nuten im Luftspalt Wicklungen verlaufen: axial radial (Scheiben-M.) PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/2

3 Magnete: Magnetfelderzeugung Oberflächenmagnete Eingebettete Magnete OM VM Eingebettete Magnete EM Flusskonzentration FK PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/3

4 Lorentzkraft F auf Permanentmagnete : J M J M Ersatzstrombelag für PM: A = 2 h M HC Flussdichte B < 1.2 T ( Sättigung, Verluste, ARW, cos Koerzitivkraft H c < 800 ka/m, h M /t p > 0.1 : f S < 150 kn/m2 Synchronmaschinen mit verteilter Wicklungen : f S < 60 kn/m2 A s p B o fs 2 B hm Hc / 2( hm ) Synchronmaschinen mit Einzelzahnwicklungen: f S < 80 kn/m2 f ~ 1/ p für 2p =Q oder anistropen MM s p ~ p o H c A s PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/4

5 Reluktanzkraft F auf Eisen : F x Stromi Flussdichte B < 1.5 T ( Sättigung Strombelag A < 40 ka/m ( Verluste, Kühlung, ARW ) c f s < 120 kn/m 2 ( / p <= 0.1), f s ~ 1/ p ~ p Einfache Rotorkonstruktion, verteilte und Einzelzahnwicklungen Switched-Reluctance-Maschine: f s < 25 kn/m 2, i unipolar Reluktanzmotor, verteilte Wicklung: f s < 25 kn/m2 : Vernier-Maschine:, Strom i bipolar f s < 35 kn/m 2 PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/5

6 Lorentzkraft + Reluktanzkraft : Optimal in Maschinen mit verteilten Wicklungen Minimierung der Magnetmasse Erfordert eine Optimierung des Vorsteuerwinkel Erhöhte Anforderungen an die Speisung, Lageerfassung und Regelung Stellt hohe Anforderungen an die Auslegung Reduziert die Magnetbeanspruchung Probleme mit der mechanische Beanspruchung PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/6

7 Andere PM-Maschinenkonzepte : Vernier-Maschine mit PM (Patent EMF) Vernier-Maschine ohne PM Langsamläufer: 1 Qs <> Qr PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/7

8 Andere PM-Maschinenkonzepte : Magnete PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/8

9 Flux-Switching-Machine: PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/9

10 PM-Synchronmaschinen: Bewertungskriterien Schubkraft f S, Drehmoment/Volumen T / V Magnetvolumen / Drehmoment Vmagnet / T Nutrastmoment ( Cogging torque ), Lastpulsationsmoment Synchrone Reaktanz X d, Leistungsfaktor cos Verluste, Zusatzverluste, Magnetverluste: Wirkungsgrad Begrenzungen: Ueberlast, Entmagnetisierung, Kühlung Feldschwächbarkeit Redundanz, Fehleranfälligkeit Anforderungen an die Sensorik und Leistungselektronik Geräusch, mechanische Beanspruchung Abhängigkeiten: Geometrie, Magnete, Material B(H), Verformungen.. PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/10

11 Vergleich PM Synchronmaschinen: verteilte Wicklungen Zahnspulen Synchrone Reaktanz X d + Leistungsfaktor cos Stator-Cu-Verluste Rotorverluste + Drehmoment - Pulsation + Entmagnetisierungsgrenze + Feldschwächbarkeit + Redundanz + Aufwand Sensorik, LE : gleich + : grösser : kleiner PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/11

12 Magnete: Konzepte Oberflächenmagnete Eingebettete Magnete OM VM Eingebettete Magnete EM Flusskonzentration FK PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/12

13 Vergleich PM Konzepte: OM EM VM FK Synchrone Reaktanz X d Leistungsfaktor cos Eisenverluste Magnetwirbelstromverluste Drehmoment Pulsation Entmagnetisierungsgrenze o o + ++ Reluktanzkraft o o ++ + Feldschwächbarkeit Magnetvolumen o o o + o : gleich + : grösser - : kleiner PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/13

14 Magnettopologie OM EM VM FK Magnetvolumen % Wicklungsfaktor p Leistungsfaktor cos Drehmoment % Pendelmoment % Rastmoment % Magnetverluste Last % Magnetverluste Leerlauf % Eisenverluste Rotor Last % 5 9 < 1 < 1 Magnetfluss verkettet % Spannung 5.Harm. % Entmagnetisierungsfeld % Vergleich Topologien: Q = 48, 2p = 40 zweischichtig, isotrop Sect. 1/14

15 Vergleich der Maschinentopologien: - PM Maschine: Konzentrierte oder verteilte Wicklungen Flusskonzentration, 100 % PM, f s < = 80 kn/m2 - PM + Reluktanz Maschine: verteilte Wicklung > 60 % PM, f s < = 50 kn/m2 - Reluktanzmaschine: Konzentrierte oder verteilte Wicklungen f s < = 30 kn/m2 - Asynchronmaschine: verteilte Wicklung, f s <= 40 kn/m2 Ausnützung PM-Maschine: T c p H c B r V NdFeB : H c B r : <1200 kj/m3 Ferrit: < 150 kj/m3 PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/15

16 PM: NdFeB ersetzen mit Ferrit: % weniger Drehmoment/Volumen cos phi niedriger: 0.75 => 0.5 > Design optimieren: Maschinenlänge grösser, Durchmesser grösser, Strombelag kleiner Kompensation cos phi PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/16

17 PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/17

18 PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/18

19 PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/19

20 Simulation mit FEMAG: Stator-, Rotor-, Magnet- und Wicklungsmodelle, dxf-eingabe => FE-Modelle B(H)- und Verlustmodelle (Steinmetz) für Eisen und Magnete FE-Simulation, linear und nichtlinear, stationär und drehend dabei Speisung mit beliebigen Stromformen: sinus-, harmonische, Modellidentifikation: psim, Ld, Lq (I.beta) und Psid, Psiq, T (id, iq) Magnetische Beanspruchung B(x,y).., Flussverkettungen, Spannungen Entmagnetisierung: bei der Drehung, nach dem Stosskurzschluss Verluste im Eisen und in den Magneten, stationär und drehend Kräfte und Kraftdichteverteilungen, 2d-Fourieranalyse, Modalanalyse Verlustkennfeldberechnung: Verluste(n,I,beta) Simulation Betriebsverhalten: T,I,beta,P= f(n), Feldschwächung Interaktiv Benutzung, Ablaufautomatisierung mit Logfile, Scriptsprache.. PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/20

21 Maschinenmodelle in FEMAG: Beispiele > 40 Modelle: Statoren, Rotoren, Magnete, Löcher PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/21

22 Wirbelstromverluste im Magnet: Q = 24, 2p = 20 FE-L [W/mm3].602E E E E E FEMAG - DC Version: Oct 2009 PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/22

23 Nutrastmoment (im Leerlauf) ( Cogging torque ) Sektor einer MM mit 40 Polen und 48 Nuten Lastpulsationsmoment -b a FEMAG -c PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/23

24 Betriebskennlinien: PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/24

25 Modell- Identifikation: PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/1

26 Simulation mit FEMAG: Stator-, Rotor-, Magnet- und Wicklungsmodelle, dxf-eingabe => FE-Modelle B(H)- und Verlustmodelle (Steinmetz) für Eisen und Magnete FE-Simulation, linear und nichtlinear, stationär und drehend dabei Speisung mit beliebigen Stromformen: sinus-, harmonische, Modellidentifikation: psim, Ld, Lq (I.beta) und Psid, Psiq, T (id, iq) Magnetische Beanspruchung B(x,y).., Flussverkettungen, Spannungen Entmagnetisierung: bei der Drehung, nach dem Stosskurzschluss Verluste im Eisen und in den Magneten, stationär und drehend Kräfte und Kraftdichteverteilungen, 2d-Fourieranalyse, Modalanalyse Verlustkennfeldberechnung: Verluste(n,I,beta) Simulation Betriebsverhalten: T,I,beta,P= f(n), Feldschwächung Interaktiv Benutzung, Ablaufautomatisierung mit Logfile, Scriptsprache.. PM-Maschinen, Konzepte, Simulation FEMAG Sect. 1/26