Permanent-Magnet-Motor

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1 Permanent-Magnet-Motor Seit 2005 forscht die Arbeitsgruppe bestehend aus der Circle Motor AG, den beiden Hochschulen Luzern und Wallis an Permanent-Magnet-Maschinen. Die Forschungsbereiche sind: die Steigerung der Effizienz, Aspekte zur Ökologie und im Vergleich zum Asynchronmotor, die Wirtschaftlichkeit, die bevorzugten Anwendungen, die Grenzen.

2 Ausgangslage Mit Permanent-Magneten aus Seltenerdmetallen, vor allem Neodym-Eisen-Bor, lassen sich in elektrischen Maschinen starke Magnetfelder aufbauen. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass für den Aufbau des Magnetfelds keine elektrische Energie von aussen zugeführt werden muss, wie beim Asynchronmotor. Dieser energetische Vorteil fördern den Einsatz von Permanent-Magnet-Motoren im Hinblick auf die Notwendigkeit elektrische Energie durch bessere Wirkungsgrade zu sparen. Ebenfalls lassen sich im kleinen Leistungsbereich, in dem die Asynchronmaschine ineffizient ist innovative mechatronische Produkte mit Permanent-Magnet-Technik realisieren. Beispiel: Drehzahl geregelte Heizungsumwälzpumpe, E-Bike..

3 Konzepte bei PM-Motoren Unsere Arbeitsgebiete bezüglich den effizienten Permanent-Magnet-Motoren und Generatoren sind: Permanent-Magnet-Motor mit asynchroner Anlaufwicklung für direkten Netzbetrieb Für low cost Anwendungen, das brushless DC Konzept Für hochwertige Anwendungen, die Synchronmaschine, ausgeführt mit Permanent- Magneten auf der Rotoroberfläche montiert, sowie im Rotoreisen eingebettet, zur Erzeugung eines zusätzlichen Reluktanzmoments. Lineare Permanent-Magnet-Motoren und Generatoren für Kolbenmaschinen. Als Motor in Wärmepumpen, als Generatoren in Blockheizkraftwerken. Im mechatronischen System (Elektronik+el.Maschine+Mechanik), z.b. Radnabenmotor etc..

4 Erfahrungen mit grossen und kleinen PM-Motoren Die Differenz der Wirkungsgrade zwischen Permanent-Magnet- und Asynchronmotor vergrössert sich mit abnehmender Baugrösse. Die hohen Stückzahlen am Markt liegen im unteren Leistungsbereich bis 22kW. Im Teillastbereich ist die Differenz der Wirkungsgrade zu Gunsten des Permanent-Magnet-Motors noch deutlicher. Diese Aussage gilt auch für den Generator. Deshalb sollen auch Kleinstkraftwerke mit Permanent-Magnet-Generatoren ausgerüstet sein. In diese Rubrik gehört die Elektrizitätserzeugung aus Wasser, Wind und Biomasse (hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung). Im Bereich von einigen 100 kw nähern sich die Wirkungsgrade der beiden Motorenarten einander an, wobei der Materialaufwand beim Permanent- Magnet-Motor immer noch signifikant kleiner ist als beim Asynchronmotor. Eine Untersuchung zu den Getriebemotoren zeigt, dass bei kleinen Getriebeuntersetzungen und Leistungen ab einigen kw davon auszugehen ist, dass Permanent-Magnet-Direktantriebe effizienzbezogen den Getriebemotoren überlegen sind. Permanent-Magnet-Direktantriebe benötigen keine Schmiermittel.

5 Eine Diplomarbeit der Hochschule Luzern zur Ökologie von Elektromotoren zeigt, dass bei hohen Betriebsstunden pro Jahr, auf höchste Effizienz zu optimieren ist. Das bedeutet den Einsatz von optimierten Betriebsprozessen, Drehzahlverstellung und hocheffiziente Elektromotoren. Die graue Energie und die damit verbundenen Treibhausgase, welche bei der Herstellung eines Wechselrichters und dem Elektromotor entstehen, sind unbedeutend gegenüber der Belastung, welche die Elektrizitätserzeugung für den Betrieb des Antriebssystems über die gesamte Lebensdauer hervorruft.

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7 Kosten und Effizienz vs. IE3 In der Reduktion der beschriebenen Verlustquellen begründet sich, dass für den Bau eines Permanent- Magnet-Motors weniger Rohstoffe (Al,Fe,Cu) benötigt werden, als für einen Asynchronmotor mit vergleichbaren Leistungsdaten. Die Kosten der eingesparten Rohstoffe im Bezug zum schwereren Asynchronmotor bezahlen den Mehraufwand des Magnetmaterials beim leichteren Permanent-Magnet-Motor. Gewichtstabelle des 3kW Permanent-Magnet-Motors ( ohne Elektronik ) nach Komponenten Gewicht in kg Statoreisen 4.3 Kupfer der Wicklung 1.7 NdFeB Magnete Rotor (Fe) ohne Magnete 1.9 Welle ohne Lager 1.17 Kugellager A 0.21 Kugellager B 0.11 Statorleergehäuse inkl. Klemmenkasten, Flansch mitte, Enddeckel, ohne A-Flansch, alle Teile aus ALU 3.1 Alu A-Flansch inkl Sinterstahl-Buchse 0.82 Gesamtgewicht PM Motor nach Rohstoffen Gewicht in kg FE 7.69 Cu 1.7 ALU 3.92 NdFeB 0.295

8 Die besten Wirkungsgrade, der von uns gebauten und gemessenen Permanent-Magnet-Motoren und Wechselrichter sind: 96.5% für den Wechselrichter und 92% für den Permanent-Magnet-Motor in der Baugrösse IEC 100. Dieser Permanent-Magnet-Motor ist rund 10 kg leichter als ein untersuchter Asynchronmotor der Effizienzklasse IE2. Wirkungsgrad [%] Permanent-Magnet Motor IEC min und Wechselrichter zusammen, Drehzahl verstellbar Permanent-Magnet Motor IEC min und Wechselrichter zusammen, Drehzahl verstellbar Asynchronmotor IEC100 IE min-1 direkter Netzanschluss Asynchronmotor IEC100 IE min-1 angeschlossen am Frequenzumformer Wellenleistung [W]

9 Kontakt Info: Markus Lindegger, CIRCLE MOTOR AG Vinzenz Härri, Hochschule Luzern Technik & Architektur, CC IIEE Hans-Peter Biner, Hochschule Westschweiz