Neue Herausforderungen an die Auswahl und Auslegung E. Maschinen durch die Preisentwicklung der NdFeB- Magnete

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1 Neue Herausforderungen an die Auswahl und Auslegung E. Maschinen durch die Preisentwicklung der NdFeB- Magnete Die Problemstellung Lösungsmöglichkeiten Vergleich der Maschinentopologien Einsparmöglichkeiten Ersatz NdFeB durch Ferrit Verbesserungspotentiale: Reluktanzeffekt, Flusskonzentration 1

2 Problemstellungen durch die Preisentwicklung der NdFeB- Magnete Preisentwicklung der NdFeB-Magneten? Herstellungskosten von PM- Maschinen? Verfügbarkeit von NdFeB- Magneten? Bisherige Entwicklung von PM-Maschinen fokusiert auf NdFeB? 2

3 Lösungsmöglichkeiten Ersatz von PM-Maschinen durch andere Maschinenarten Minimierung des Materialverbrauchs bei der Herstellung Minimierung: Magnetmasse bzw. der Magnethöhe Ersatz von NdFeB durch Ferrit Ausnützung des Reluktanzeffektes Ausnützung des Flusskonzentrationseffektes Elektrische Erregung 3

4 Ausgeführte Maschinentopologien: Verteilte Spulen q > 1 Längsfluss Zahnspulen q < 1 Längsfluss Synchronmaschine Erregung: PM, DC Synchronmaschine Reluktanzrotor Flux-Switching Ringspulen Querfluss Vernier -Maschine Reluktanz: Q s <> Q r SR-Maschine Reluktanz: Q s <> Q r Transversal-Fluss-M Erregung: PM Asynchronmaschine SR-Maschine Reluktanz: Q s = Q r q = Q/2pm = Lochzahl, Q = Nutenzahl, p = Polpaarzahl, m = Strangzahl, PM : Perm.-Magnet 4

5 Andere PM Maschinenkonzepte : Magnete IEEE Trans. Magnetics vol 46 (2010) pp

6 Andere PM Maschinenkonzepte : IEEE Trans. Magnetics vol 47 (2011) 6

7 Vergleich der Maschinentopologien: - PM Maschine: Konzentrierte oder verteilte Wicklungen Flusskonzentration, 100 % PM, f s < = 80 kn/m2 - PM + Reluktanz, el. erregte SM-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 streuarme Ausführung, CU-Rotor, geblecht isoliert PM: bester Wirkungsrad, cos aber abhängig von NdFeB 7

8 Lösungsmöglichkeiten Ersatz von PM-Maschinen durch andere Maschinenarten Minimierung des Materialverbrauchs bei der Herstellung Minimierung: Magnetmasse bzw. der Magnethöhe Ersatz von NdFeB durch Ferrit Ausnützung des Reluktanzeffektes Ausnützung des Flusskonzentrationseffektes Elektrische Erregung 8

9 Minimierung des Materialverbrauchs bei der Herstellung ( IEEE Trans Magnetics Vol. 47, 2011, pp 2269 ) 30 % weniger Material 50 % weniger Herstellungzeit SP 0 SP A Femag Model: «Magnet sector» Modell 5 NP 9

10 Vorteil der Lösung SP-A: Kleineres Rastmoment SP A 10

11 Lösungsmöglichkeiten Ersatz von PM-Maschinen durch andere Maschinenarten Minimierung des Materialverbrauchs bei der Herstellung Minimierung: Magnetmasse bzw. der Magnethöhe Ersatz von NdFeB durch Ferrit Ausnützung des Reluktanzeffektes Ausnützung des Flusskonzentrationseffektes Elektrische Erregung 11

12 Minimierung: Magnetmasse bzw. der Magnethöhe h M Begrenzung der Entmagnetisierung - durch Ankerrückwirkung - im Kurzschluss ergibt die minimale Magnethöhe: h M a / H Ankerdurchflutung a der Drehfeldmaschine: C a m I 2 N k p W I : Betriebsstrom oder Stosskurzschlussstrom: 12

13 I : Stosskurzschlussstrom: I 2 2 L U d Problem: L d ~ 1/ h M d.h a ~ h M Vergrösserung von h M begrenzt allein nicht! 13

14 Lösungsmöglichkeiten Ersatz von PM-Maschinen durch andere Maschinenarten Minimierung des Materialverbrauchs bei der Herstellung Minimierung: Magnetmasse bzw. der Magnethöhe Ersatz von NdFeB durch Ferrit Ausnützung des Reluktanzeffektes Ausnützung des Flusskonzentrationseffektes Elektrische Erregung 14

15 Ersatz von NdFeB durch Ferrit NdFeB : B r : < = 1.2 T ; H c <= ka/m H c B r : < 1200 kj/m 3 ; = 7.6 g/cm 3 el. leitend Ferrit: B r : < = 0.45 T ; H c <= ka/m H c B r : < 150 kj/m 3 ; = 4.85 g/cm 3 el. nicht leitend Max. Drehmoment einer PM-Maschine: T hm 2 p B h M Magnetvolumen: V M r H c V e M Dl h M 15

16 Drehmoment / Rotorvolumen : A T V 2 f = Strombelag; = Luftspaltinduktion Oberflächenmagnete: d.h. : NdFeB : A h ferrit m ferrit ferrit B B 1. 1T S 2 Ferrit : B 0. 4 T A h NdFeB m NdFeB Nutfläche ferrit Nutfläche cos cos NdFeB NdFeB A B 16

17 NdFeB Vierpolige Maschine, 1 Pol dargestellt Ferrit Drehmoment: 100 % 100 % 100 % 100% Magnethöhe: 100 % 333 % 333 % 333% Strombelag: 100 % 300 % 200 % 50% Luftspaltinduktion: B T 0.47 T 0.43 T 0.43 T Rastmoment: 1.9 % 0.05 % 0.04 % 8.5% cos : Aussendurchmesser: 100 % 115 % 115 % 115 % Rotordurchmesser: 100 % 100 % 125 % 160 % 17

18 Ersatz von NdFeB durch Ferrit Verbesserungsmöglichkeiten: Rotordurchmesser, Aussenpolmaschinen 2 D hm T l A B T 2 p Br HcV M 2 hm Ausnützung des Reluktanzmomentes L d Lq bei PM oder L d Lq Hybride Topologien: PM + Reluktanz Vergrösserung der Luftspaltinduktion durch Flusskonzentration in PM-Maschinen Elektrische Felderregung (EE) bei EE 18

19 ), (,, );, (...,, I f L L I f E M L M q d a ) cos( 2 ), cos( 2, cos m s b m s b s a t I i t I i t I i p p q d U U U I I i I i,, cos ; sin ) ) ( ( 2 / ) ( q d q d q m d d m s q q q s d i i L L i p m T i L u i L u L d, L q M Modell El. Maschinen abc Modell dq Modell 19

20 L d, L q M Modell El. Maschinen Current Femag: «Ld,Lq-Identifikation» 20

21 Lösungsmöglichkeiten Ersatz von PM-Maschinen durch andere Maschinenarten Minimierung des Materialverbrauchs bei der Herstellung Minimierung: Magnetmasse bzw. der Magnethöhe Ersatz von NdFeB durch Ferrit Ausnützung des Reluktanzeffektes Ausnützung des Flusskonzentrationseffektes Elektrische Erregung 21

22 Hybride Maschinen : Lorenzkraft + Reluktanzkraft Optimal in Maschinen mit Wicklungen: q >= 1/2 Stellt hohe Anforderungen an die Auslegung Erfordert eine Optimierung des Vorsteuerwinkels Stellt erhöhte Anforderungen an die Speisung, Lageerfassung und Regelung Minimiert die Magnetmasse Reduziert die Magnetbeanspruchung Erhöht die mechanische Beanspruchung Ist optimal für Feldschwächungsaufgaben 22

23 Hybride Maschinen: Einfluss der PM Topologie Lq/Ld : m : T/Tm: T6,T12: 5.8, 6.1 % 1.1, 1.9% 6.4, 1.1 % Tm: Drehmoment bei id=0, T6,T12: Pulsationsdrehmoment 6. und 12. Harmonische 23

24 Hybride Maschinen: Einfluss der PM Topologie Femag Modelle p B B Br Br B B h m Br Br B r : Flussverstärkungsfaktor: B / B r = f ( p ), bzw. f (b m, h m / p ) Reluktanzfaktor : L q / L d < 2-4 ; sättigungsabhängig Problem : Drehmomentpulsation und Eisenverluste im Stator durch Rotornuten p = Polpaarzahl, b m, h m = Magnetbreite, -höhe, p = Polteilung, B r = Remanenz b m 24

25 Problem Nichtlinearität: i d i q i d i d, i q gross, stark gesättigt: L L q d 25

26 i d i q i d i d, i q klein, schwach gesättigt L L q d 26

27 i d i q i d i d gross, i q klein : L L q d 27

28 Vergleich: PM mit NdFeB und Ferrit NdFeB: cos 0.87; A = 100 % Ferrit: cos 0.6 ; A = 120 % 28

29 Reluktanz-Maschine cos 0.4 ; A = 100 % 29

30 Zusammenfassung: Ferrit kann NdFeB ersetzten wenn Wicklungen, Reluktanzeffekte und Flusskonzentration optimal ausgenutzt werden, vor allem in hochpoligen Maschinen Für hochpolige Maschinen mit Einzelzahnwicklungen und Flusskonzentration ist Ferrit nur bedingt eine Alternative 30

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