Design von elektrischen Hochdrehzahlantrieben für ... · Institut für Elektrische Maschinen,...

J. Hoffmann W.-R. Canders M. Henke Februar 2017

Design von elektrischen Hochdrehzahlantrieben für

Anwendungen im Fahrzeug-Antriebsstrang

Institut für Elektrische Maschinen,

Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Ayrton & Perry 1882 1,5 kWh 0,37 kW 40 km 14 km/h

Februar 2017 | J.Hoffmann | High Speed Maschinen

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- Kompakter Motor

- hohe Übersetzung

- Wenig

Drehmoment

- Kleines

Bauvolumen


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Warum High Speed Motoren ?

• Geringes Gewicht

• Kleine Abmessungen

• Gute Integrierbarkeit in ein Fahrzeug


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Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Anwendungen in der Industrie

Turbo-

maschinen

8 MW

10000 rpm

vu = 220 m/s

lE = 1m

D = 420 mm


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Source: Alstom


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Definition

Hochtourige Maschinen sind gekennzeichnet durch hohe Umfangsge-

schwindigkeiten, im allgemeinen

Damit dominieren Rotorfestigkeit und Rotordynamik den Entwurf

maßgeblich. Die Umfangsgeschwindigkeit ist für die Rotorfestigkeit der

charakteristische Parameter.

Typische erreichbare Rotorumfangsgeschwindigkeiten

Mai 2014 | J.Hoffmann | High Speed Maschinen

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smrvu /120....100

ASM

Al-Käfig

Schenkel-

pol SM

Vollpol

SM **

PMSM vergr.

Magnete

PMSM oberfl.

Magnete+Bandage

200..220

m/s

90..100

m/s

200 m/s 75..80 m/s

120 m/s *

280 m/s

* Zeitfeste Auslegung, wie z.B. im Automotive-Bereich

** Massivrotor


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Umfangsgeschwindigkeit und mech. Spannungen


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Drehzahl -

Umfangsgeschwindigkeit

Spannung in Scheibe

σ = Ω2 ∙ 𝑟2 ∙ 𝜌 ∙ 𝐾

𝐾 =3 + 𝜈

8

D = 12756 km

vu = Ω ∙ r = 464 m/s

σE = 488 N/mm2


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Hauptaufgaben bei der Entwicklung hochtouriger Maschinen

Magnetkreisauslegung


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Kühlung/ hohe Verlustdichte

Lagerung

Verlustarmer Statorentwurf

Mechanische Auslegung

Thermische Auslegung

Rotordesign

Festigkeit

Rotordynamik

Speisung der Maschine

Rotorverluste

Oberschwingungsarmer

Wechselrichter


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Elektrische Verluste in E-Maschinen

Elektrische Verluste in E-Maschinen sind hauptsächlich ohmsche

Verluste und Wirbelstromverluste

Diese treten in sämtlichen leitfähigen Bauteilen der Maschinen auf

Die Wirbelstromverluste resultieren aus der Speisung und den

resultierenden Wellen in der Maschine

Man erhält ein zeitlich und räumlich umlaufendes Wellenspektrum


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Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Stromdichteverteilung in den Magneten (pro Pol) , analytisch


nx=2, nz = 1 nx=2, nz = 5

8

Wirbelstromverluste

Verlustreduktion


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Einfluss der Unterteilung in x- und z-Richtung auf die Verluste


Rm=0,21,

/hm=0,25Rm=8,4

/hm=0,25

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Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Festigkeit:

Bsp.-Rotor einer Oberflächenmagnet PMSM mit CFK Bandage

- Umfangs-

geschwindigkeit

ca. 180 m/s


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Vorgespannte

Bandage

Magnete

Rotorjoch,

geblecht

vu

Ω

lE


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Rotorfestigkeit – Beispiel Oberfl. PMSM mit Bandage

Bedingung: Bei max. Drehzahl kein Abheben der Magnete

oder des Blechpaketes von der Welle → Unwucht usw.

Bemessung der Rotorbandage als mehrschichtiger

Pressverband mit i. allg. anisotropen Materialeigenschaften

Übliche Prüfdrehzahl nach EN 60034:

Bestimmung der zulässigen Beanspruchungen

entsprechend vorgesehener Lastspielzahl (Wöhlerkurven,

Smith-Diagramme)


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max2,1 nnT


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Beispiel: 3-Schicht Pressverband im Schnitt


r

r1,3

rw,2

Blechpaket

Magnetschicht

Bandage

ra

0 2213 rrurru wsSchrumpfmaße

Vorspannung durch

Schrumpfmaß us

Geklebte Verbindung,

Schrumpfmaß u2 =0

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Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Polar-orthotropes Werkstoffmodell


Hookescher

Tensor,

(Nachgiebigkeits-

matrix S)

r

z

rz

zr

zrz

z

rz

r

r

z

z

r

r

G

G

G

EEE

EEE

EEE

S

1

1

1

1

1

1

S

r

z

rz

z

r

r

z

rz

z

r

z

r

Anwendbar auf unidirektionale Faserbandage

und Magnetschicht

(E ,Er aus Reihenschaltung von Klebfugen und PM

Material)

In speziellen Fällen kann mit guter Nähe-

rung isotrop gerechnet werden, ri/ra>0,9.

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Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Bandagenauslegung für den Beispiel-Rotor


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CFK Bandage: db = 1,8 mm + 0,3 mm

(tragend + EKS)

Magnetschicht: hm = 6 mm Höhe

Klebfugendicke: dh = 0,2 mm

Breite der Magnete: bm = 20 mm

Zul. Beanspruchng der UD-CFK Bandage:

Tangential: t < 1000 N/mm2

Radial: r < 40 N/mm2 bei Zug,

r < 100 N/mm2 bei Druck


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Beispielrotor: Umlagerung der Fugendrücke durch Fliehkrafteinfluss


Schrumpfmaß aus der Bedingung: Fugendruck p21 an Klebschicht der Magnete

Null bei Schleuderdrehzahl

Schrumpfmaß:

D = 0,464 mm

p11: Fugendruck an der

Bandage

p21: Fugendruck in der

Magnet-Klebfuge

Dp11: Einfluss der Ban-

dagenfliehkraft

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Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Beispielrotor: Tangentialspannungen in der Bandage


16


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Rotordynamik: Komponenten des Rotors


17


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1,000.00

1,200.00

1,400.00

5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000

Fre

qu

en

z i

n H

z

Drehzahl min-1

1

2

3

4

5

6

7

8

Drehfrequenz

n max

Campbelldiagramm ohne Dämpfung


18


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Unwucht G = 1 ohne Dämpfung


19

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Sch

win

gge

sch

win

dig

keit

mm

/s

Drehzahl min-1


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Unwucht G = 1 mit Dämpfung


20

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Sch

win

gge

sch

win

dig

keit

mm

/s

Drehzahl min-1


Antriebe und Bahnen

TU Braunschweig

Prüfstand des IMAB für Hochdrehzahl-Antriebe

nmax: 40000 min-1

Umax: 1000V


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Batteriesimulator 350 kW

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Anwendungen im Fahrzeug-Antriebsstrang


Antriebe und Bahnen

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