Andreas Binder BOSCH CR
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- Bärbel Schuler
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1 Verlustberechnung und experimentelle Validierung bei hochausgenützten Permanentmagnet- Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklungen und Feldschwächbetrieb BOSCH CR Andreas Binder Technische Universität t Darmstadt Institut für Elektrische Energiewandlung Landgraf-Georg-Strasse 4 [email protected] Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 1/36
2 Inhalt Bemessung hoch ausgenützter PM-Synchronmaschinen Ausgeführte Prototypen Läuferzusatzverluste Experimentelle Validierung Zusammenfassung Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 2/36
3 Verlustberechnung und experimentelle Validierung bei hochausgenützten Permanentmagnet-Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklungen und Feldschwächbetrieb Bemessung hoch ausgenützter PM-Synchronmaschinen Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 3/36
4 High-torque-Antriebe für höhere Drehzahlen - Zahnspulentechnologie und Permanentmagnetläufer : - kompakte Statoren - niedrige Stromwärmeverluste - hohe Induktivität für gute Feldschwächbarkeit - hohe Kraftdichte - Genutzt für Servoantriebe, High-torque-Antriebe! - Auch nutzbar für Industrieantriebe mit höheren Drehzahlen? Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 4/36
5 High-torque-Antriebe für höhere Drehzahlen Prototypen: 0 45 kw, /min 45 kw, /min Drehmoment / Nm 430 Nm Prototypmotoren 45 kw /min Strom / A Hz 16-polig 400 Hz Statorstrom d-strom q-strom 1000/min 3000/min Entwurf VOR Optimierung! Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 5/36
6 Zahnspulenwicklung vs. verteilte Wicklung U V W Χ Χ -W -U -V V(x)-Verteilung Grundwelle U -W V -U W -V x x x Stator mit q Nuten pro Pol und Strang Magnetische Spannung V(x) Grundwelle V 1 (x) Zahnspulenwicklung: q = ½ Ordnungszahlen der Feldwellen: ν = 1, -2, 4, -5, 7, -8, 10, -11, 13, V(x)-Verteilung Grundwelle x Verteilte Wicklung: q = 1 Ordnungszahlen der Feldwellen: ν = 1, -5, 7, -11, 13, Beispiel: Ständerfeldverteilung für Zeitpunkt: i U = 0, i V = - i W = I (Augenblickswert des Strangstroms). Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 6/36
7 Bemessung von Motor A und Motor B Alternative Motorkonzepte: 16-polige Statoren Motor A: q = 0.5 Motor B: q = 0.25 Programm FEMAG-DC Wirkungsgrad *) 93.7% / 95.3 % 92.8 % / 93.3 % 45 kw 1000 / 3000/min 1000 / 3000/min Magnettemperatur 87 C 115 C *) direkter Wirkungsgrad, gemessen bei: Umrichterspeisung, Wärmeklasse F, 45 C Kühlwasser Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 7/36
8 ESSON-Ausnutzungsziffer C Sδ 2π M N M N = ~ ~ 2 2 d l n d l V si Fe si Fe aktiv k w A B Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 8/36
9 Erreichte hohe Ausnutzungsziffer C kwmin/m 3 - Hohe Ausnützung im Vergleich Asynchron PM Synchron Prototypen Wassermantelkühlung M Nm 3000 Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 9/36
10 Verlustverteilung bei 45 kw Verluste in Watt (berechnet) Motor A Motor B Drehzahl (1/min) Stromwärmeverluste *) Ummagnetisierungsverluste Zähne Ummagnetisierungsverluste Joch Wirbelstromverluste: Magnete / Rotoreisen 28/4 89/8 25/140 85/585 Reibungsverluste Gesamtverluste (ohne Kühlmittelpumpe) Gemessen: Gesamtverluste Gemessen: Erwärmung Wicklung/Magnete (K) Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 10/36 66/39 50/40 64/48 64/66 *) inkl. Zusatzverluste durch Stromverdrängung (Sinusgrundschwingungs- und Umrichtereinfluss Schaltfrequenz 2 khz)
11 Elektromagnetische Kennwerte 45 kw, 230 V/Strang Motor A Motor B Drehzahl (1/min) Strangstrom (gemessen) (A) Leistungsfaktor (gemessen) Drehmoment (Nm) Drehmoment / Gesamtmasse (Nm/kg) Drehmoment / Aktivmasse (Nm/kg) Leistungsdichte / Aktivmasse (kw/kg) Momentenwelligkeit *) (% Nennmoment) Therm. Belastung A J (A/cm A/mm 2 ) *) Motoren ungeschrägt Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 11/36
12 Motor A: Thermisches 2D-Modell ϑ amb Gemisch Luft & Harz 50%/50% Leiter Keil Bandage Nutwandisolierung Leiterisolierung (Wärmeklasse F) Magnet ANSYS 2D Wassermantelkühlung: - Vorlauftemperatur ϑ in = 38 C - Rücklauftemperatur ϑ out = 43.3 C - Umgebungstemperatur ϑ amb = 44.2 C Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 12/36
![Motor A: Berechente 2D- Temperaturverteilung Nenndrehzahl 1000/min, 45 kw Maximaldrehzahl 3000/min, 45 kw ϑ [ C C ] ϑ [ C](/docs-images/78/78644002/images/13-1.jpg "C ] Hotspot: ϑ hotspot = 144 C Δϑ hotspot = 104 K Mittelwert: ϑ av = 119 C Δϑ av = 79 K Wärmeklasse F: Δϑ avl,lim = 105")
13 Motor A: Berechente 2D- Temperaturverteilung Nenndrehzahl 1000/min, 45 kw Maximaldrehzahl 3000/min, 45 kw ϑ [ C C ] ϑ [ C C ] Hotspot: ϑ hotspot = 144 C Δϑ hotspot = 104 K Mittelwert: ϑ av = 119 C Δϑ av = 79 K Wärmeklasse F: Δϑ avl,lim = 105 K; ϑ av,lim = 145 C; Δϑ hotspot,lim = 115 K; ϑ hotspot,lim = 155 C Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 13/36 Hotspot: ϑ hotspot = 133 C Δϑ hotspot = 93 K Mittelwert: ϑ av = 112 C Δϑ av = 72 K
14 Verlustberechnung und experimentelle Validierung bei hochausgenützten Permanentmagnet-Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklungen und Feldschwächbetrieb Ausgeführte Prototypen Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 14/36
15 Zwei alternative Motorkonzepte: 16-polige Statoren Motor A: q = 0.5 Motor B: q = 0.25 Kühlmantel Zahnspule Motor A: Runddrahtnadelwicklung Motor B: Aufsteckspulen η = % Stator-Wicklung Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 15/36 Blechpaket 45 kw /min 16 Pole, Motormasse 200kg
16 Stator-Wicklung mit Aufsteckspulen Motor B: Aufsteckspulen Zahnspule Blechpaket 45 kw /min 16 Pole, Motormasse 200kg Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 16/36
17 Minimierung von Magnetverlusten: Segmentierte NdFeB-Magnete Permanentmagnete Motor A: Oberflächenmagnete Kohlefaserbandage Magnete Welle Rotorblechpaket Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 17/36
18 Motor B: Versenkte Rotormagnete Magnete Motor B 6 Teilpakete Komplettierter Rotor B Rotorblech Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 18/36 Interner Luftkreislauf
19 Intensivierte Kühlung - Flüssigkeitsmantelkühlung - Interner Luftkreislauf - Verguss der Ständerwicklung thermische Anbindung an Kühlmantel Kühlmantel Flüssigkeitskühlung indirekt Verguss Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 19/36
20 Motor A1 Läufer mit Oberflächenmagnetschalen keine Segmentierung pro Pol in Umfangsrichtung Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 20/36
21 Verlustberechnung und experimentelle Validierung bei hochausgenützten Permanentmagnet-Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklungen und Feldschwächbetrieb Läuferzusatzverluste Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 21/36
22 Einfluss der Läuferbauart L auf Flusspulsationen in den Magneten durch Nutöffnungen bei Leerlauf Motor A Motor B Flussdichte B r Flussdichte B r 0 0 t x t x B r B r Drehzahl 1000/min, Radialkomponente B r der Flussdichte an der Magnet- oberfläche x x FEMAG-DC (magnetostatische Rechnung OHNE Wirbelströme!) Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 22/36
23 Flusspulsationen in den Magneten bei Last Sinusstrom, Feldoberwellen Motor A Motor B Flussdichte B r Flussdichte B r 0 0 t x t x B r B r Drehzahl 1000/min, Radialkomponente B r der Flussdichte an der Magnet- oberfläche x Nennlast 45 kw 1000/min x FEMAG-DC (magnetostatische Rechnung OHNE Wirbelströme!) Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 23/36
24 Berechnete Rotor-Wirbelstromverluste (Magnete, Eisen) Nennlast - Sinusstrom, Feldoberwellen Verluste (Watt) in den Magneten: a) Segmentiert b) Massiv A) Oberflächenmagnete B) Versenkte Magnete I) OHNE Rückwirkung R der Wirbelströme II) MIT Rückwirkung R der Wirbelströme i) Bei 1000/min Nennfluss ii) Bei 3000/min Feldschwächung chung α) ) Bei q = ½: : KEINE Unterwelle β) ) Bei q = ¼: : Eine dominante Unterwelle Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 24/36
25 P Mg [W] Rotor-Wirbelstromverluste in den Magnete und im Eisen Magnete p und im Eisen OHNE Rückwirkung Method1: FEMAG + Analytical der Method2: Wirbelströme FEMAG Method3: Time stepping MIT Rückwirkung der Wirbelströme Nenndrehzahl 1000/min 45 kw Nennleistung P Mg [W] Max. Drehzahl Method1: FEMAG 3000/min + Analytical Method2: FEMAG Feldschwächung Method3: Time stepping 45 kw Nennleistung 0 0 A A1 B A2 C DA3 GB B1 H A B C D G H A A1 A2 A3 B B1 Motor A Motor A1 Motor A2 Motor A3 Motor B Motor B1 q = ½ q = ¼ Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 25/36
26 Rotor-Wirbelstromverluste in den Magneten und im Eisen Oberflächenmagnete: Große Verluste in den Magneten Kleine Verluste im Rotoreisen Versenkte Magnete: Kleine Verluste in den Magneten Große Verluste im Rotoreisen Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 26/36
27 Verlustberechnung und experimentelle Validierung bei hochausgenützten Permanentmagnet-Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklungen und Feldschwächbetrieb Experimentelle Validierung Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 27/36
28 Motor A: Messung Leerverluste: Generator & Motor am Umrichter Leerverluste Leerlaufstrangspannung Losses [W ] Generator Inverter Speed [rpm] - Wassermantelkühlung: 6.6 l/min, Magnettemp.: Mess-Beginn 53.9 C Mess-Ende: 55.5 C Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 28/36 Voltage [V] Voltage (Generator) Voltage (Inverter) Current(Inverter) Speed [rpm]
29 Messung der Kurzschlussverluste: Generatorbetrieb, 3000/min Maschine A A1 A2 Kurzschlussstrom 76.6 A 78.6 A 69.8 A KS-Verluste (W) Zusatzverluste (W) (!) 184 Magneterwärmung 49 K 145 K 50.5 K Motor A Motor A1 Motor A2 q = ½ Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 29/36
30 Gemessene Magnettemperaturen adiabatische Betrachtung Temperatur [ C] Verluste: Δt Magnettemperatur Δϑ Zeit [min] P = m c dϑ/dt Motor A: 1000/min Nennlast Motor A Temperatursensor Motor B Nur das Verhältnis dϑ/dt wird für unterschiedliche Motoren verwendet! Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 30/36
31 Generator-Leerlauf: Rotorverluste: Rechnung vs. Messung Verluste auf Motor A, 1000 rpm, Leerlauf (P Mg0,A ) bezogen No- load 1000 rpm No- load 3000 rpm Calculated Measured Calculated Measured P Mg / P Mg0,A Verluste in Rotoreisenbrücken und Magneten P Mg / P Mg0,A Verluste in Rotoreisenbrücken und Magneten A BA1 A2 C B2 E B3 F BG A A1 A2 B2 B3 B Motor A Motor A1 Motor A2 Motor B2 Motor B3 Motor B 0 A B C E F G q = ½ q = ¼ Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 31/36
32 Nennleistung 45 kw: Motor am Umrichter: Rotorverluste: Rechnung vs. Messung P Mg / P Mg0,A Verluste auf Motor A, 1000 rpm, Leerlauf (P Mg0,A ) bezogen Load 1000 rpm Calculated Measured Verluste in Rotoreisenbrücken und Magneten A A1 A2 B2 B3 B A B C E F G P Mg / P Mg0,A Load 3000 rpm Calculated Measured Verluste in Rotoreisenbrücken und Magneten A A1 B A2 C B2 E B3 F GB Motor A Motor A1 Motor A2 Motor B2 Motor B3 Motor B q = ½ q = ¼ Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 32/36
33 Gemessene Temperaturen, Nennleistung 45 kw: Motor am Umrichter: : Motor B3 Temperatur [ C] Wicklungs & Magnettemperatur A-S B-S Slot Magnet Outlet Inlet n = 1000 / min Abbruch des Erwärmungslaufs: zu hohe Läufertemperatur Zeit [min] - Kühlung: 6.6 l/min Motor B3 I s = A; U s = V; cosϕ = 0.64; M = Nm; P mech = 45.1 kw; P d = 5.34 kw Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 33/36
34 Verlustberechnung und experimentelle Validierung bei hochausgenützten Permanentmagnet-Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklungen und Feldschwächbetrieb Zusammenfassung Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 34/36
35 Zusammenfassung - Kompakte Industrieantriebe mit Zahnspulenwicklung sind möglich - Sie erlauben hohe Leistungsdichte - Sie ermöglichen hohen Feldschwächbereich - Sie bedürfen einer speziellen Dimensionierung - Es treten relativ hohe Statorfrequenzen auf - Parasitäreffekte bedürfen einer besonderen Beachtung - Parasitäreffekte sind: zusätzliche Verluste, mögliche Geräuschanregungen Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 35/36
36 Verlustberechnung und experimentelle Validierung bei hochausgenützten Permanentmagnet-Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklungen und Feldschwächbetrieb Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Institut für Elektrische Energiewandlung Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder Seite 36/36
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