Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge

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1 Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Elektrotechnisches Institut, Elektrische Maschinen und Antriebe Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Dipl.-Ing. Ferdinand Rüger Schwelm, den

2 Gliederung 1. Energiekennwerte von Aufzügen 2. Neuauslegung eines Aufzugsmotors 3. Messergebnisse 4. Zusammenfassung und Ausblick Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 2

3 1. Energiekennwerte von Aufzügen Technologie der Aufzugsanlagen in der EU In der EU ca. 4,8 Mio. Aufzüge installiert Seilanlagen mit Getriebe 69% Hydraulische Anlagen 23% Seilanlagen ohne Getriebe 8% Quelle: ALMEIDA, A; PATRAO, C.; u. a.: E4 Energy efficient elevators & escalators, Estimation of savings. ISR University of Coimbra Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 3

4 1. Energiekennwerte von Aufzügen Aufzüge in Deutschland In Deutschland ca Aufzüge installiert Energieverbrauch rund 2,2 4 TWh/a Handelsgebäude 8% Industrie 4% Verkehr 4% Krankenhäuser 1% Altenwohnheime 10% Bürogebäude 23% Wohngebäude 50% Quelle: HIRZEL, S.; FLEITER, T.; ROSENDE, D.: Elevators and escalators in Germany from an energy perspective. Fraunhofer ISI Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 4

5 W in GWh 1. Energiekennwerte von Aufzügen Energieverbrauch von Aufzügen in Deutschland Stillstand Fahrt Quelle: HIRZEL, S.; FLEITER, T.; ROSENDE, D.: Elevators and escalators in Germany from an energy perspective. Fraunhofer ISI Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 5

6 1. Energiekennwerte von Aufzügen VDI 4707 Energieeffizienz von Aufzügen Ziel: Beurteilung und Kennzeichnung des Energieverbrauchs nach einheitlichen Kriterien Energiebedarf eines Aufzugs von seiner Nutzung bestimmt Energiebedarfsklassen für Stillstand und Fahrt Enthält Beispiele Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 6

7 2. Neuauslegung eines Aufzugsmotors Zwei prinzipielle Motorenvarianten mit getriebelosen permanenterregten Synchronmaschinen Quelle: Wittur Electric Drives GmbH Quelle: Swiss Traction Germany GmbH Innenläufer mit Treibscheibe Einheit von Außenläufer und Treibrohr Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 7

8 2. Neuauslegung eines Aufzugsmotors Prinzipieller Vergleich - Maschinenkonzepte Vergleichskriterium Anwendungen Innenläufer Häufigste Ausführung rotierender elektrischer Maschinen Außenläufer Spezialanwendungen: - Radnabenantrieb - Lüfter - Windkraftgenerator Technologie Einfach Oft schwierig Bohrungsdurchmesser Kleiner Größer mehr Drehmoment Kühlung Besser Schlechter Reduzierte Ausnutzung Wicklungskopf Größer Kleiner Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 8

9 2. Neuauslegung eines Aufzugmotors Aufzugsmotor als Außenläufer Reihe Zefir der Swiss Traction Germany GmbH Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 9

10 2. Neuauslegung eines Aufzugmotors Zielstellung Verbesserung der Drehmomentdichte Verringerung des Materialeinsatzes (insbesondere NdFeB-Magnete) Reduktion der Produktionskosten Typ D/ mm n N / min -1 P N / kw l FE / mm U N / V Z 182 S Vorgaben Beibehaltung des patentierten Bauprinzips Geometrische Abmessungen (Treibrohr + Magnete) Integration in bisherige Produktlinie (Anforderung Lüfter) Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 10

11 2. Neuauslegung eines Aufzugmotors Elektromagnetische Auslegung - analytisch Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 11

12 2. Neuauslegung eines Aufzugmotors Elektromagnetische Nachrechnung - FEM Finite Elemente Methode Steuerung FEMM von MATLAB Aufbau parametrisches Modell der Außenläufermotoren Überprüfung der Auslastung des Magnetkreises Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 12

13 2. Neuauslegung eines Aufzugmotors Kühltechnische Auslegung - Fremdkühlung Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 13

14 2. Neuauslegung eines Aufzugmotors Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 14

15 2. Neuauslegung eines Aufzugmotors Gegenüberstellung Serienmotor und Versuchsmuster Typ Z 184 S Z 182 S Nutzlast Bemessungsleistung 2,5 2 Vorgaben Maschinenlänge Esson sche Ausnutzung 3,4 5,4 Kühlprinzip eigen fremd Kupfermasse 100 % 70 % Permanentmagnetmasse 100 % 50 % Stückkosten 100 % 90 % Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 15

16 3. Messergebnisse Wirkungsgrad Serienmotor Z 184 Versuchsmuster Z 182 Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 16

17 3. Messergebnisse Exkurs: Verluste in permanenterregten Synchronmaschinen Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 17

18 P in kw 3. Messergebnisse Gemessene Leistung und Verluste Z 182 bei n N 5 4 P el 3 2 P mech P W P Fe +P fw +P LL M/M N Die Verluste wurden rechnerisch aus Messwerten ermittelt. Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 18

19 3. Messergebnisse Erwärmung und Abkühlung bei S3-Betrieb mit ED=30 % Sensor in Nutmitte und Blechpaketmitte Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 19

20 3. Messergebnisse Erwärmung und Abkühlung der Wickelköpfe bei Bemessungsbetrieb Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 20

21 4. Zusammenfassung und Ausblick Konstruktion Z 182 Variation der Magnethöhe und Magnetform Optimierung der Zahn-Nut-Geometrie Bestimmung der Energieeffizienzklasse Prüfung im Aufzugstestturm Zertifizierung des Aufzugssystems Verfeinerung der Berechnungswerkzeuge Analytische elektromagnetische Auslegung Simulation mit Hilfe der Finiten Elemente Methode Aufstellung eines thermischen Modells Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 22

23 1. Kennwerte von Aufzügen Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 23

24 1. Energiekennwerte von Aufzügen VDI Energieeffizienz von Aufzügen Ziel: Beurteilung und Kennzeichnung des Energieverbrauchs nach einheitlichen Kriterien Energiebedarf eines Aufzugs von seiner Nutzung bestimmt Kategorie Fahrtzeit 0,2 h/d 0,5 h/d 6 h/d Typische Gebäudeund Verwendungsarten - Wohnhaus mit bis zu 6 Wohnung - Kleines Büround Verwaltungsgebäude mit wenig Betrieb - Wohnhaus mit bis zu 20 Wohnungen - Kleines Büro- und Verwaltungsgebäude mit 2 bis 5 Geschossen - Kleine Hotels - Lastenaufzug mit wenig Betrieb - Büro- und Verwaltungsgebäude über 100 m Höhe - Großes Krankenhaus - Lastenaufzug in Produktionsprozess bei mehreren Schichten Schwelm, Entwurf von Außenläufermotoren für Aufzüge Folie 24