Lehrveranstaltung„Elektrische Antriebstechnik – Grundlagen und Anwendungen“

Prinzipieller Aufbau elektrischer Maschinen

Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel

(ralph.kennel@tum.de)

Technische Universität München

Arcisstraße 21

80333 München

Krafterzeugung durch elektrische Energie

Die Umwandlung elektrischer in mechanische Energie … oder umgekehrt …

… richtet sich nach den Maxwell‘schen Gleichungen

1. Durchflutungsgesetz(Ampère‘s Gesetz mit Korrekturen von Maxwell)

2. Induktionsgesetz(Faraday‘s Gesetz)

3. Gesetz von Gauss(Ursprung elektrischer Feldlinien auf elektrischen Ladungen)

4. Gesetz von Gauss für magnetische Felder(es gibt keine magnetischen Monopole

– nur geschlossene magnetische Feldlinien)

… die Lorentz-Kraft

die Lorentz-Kraftphysikalische Grundlage

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

die Lorentz-Kraftphysikalische Grundlage

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

die Lorentz-Kraftdie „Dreifinger-Regel“

Achtung !!! … das funktioniert nur mit der rechten Hand

… also Schreibstift aus der Hand legen !!!

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

die Lorentz-Kraft… man kann es auch mit dem „Maxwell‘schen Zug“ erklären

If

B

die Lorentz-KraftKrafterzeugung in der Gleichstrommaschine

Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich

Bürstenlose Maschinen statt Gleichstrommaschinen ?!

If

B

• Vorteile :

gute Regelbarkeit :

hohe Dynamik und Genauigkeit

mit einfachen und

kostengünstigen Speise- und

Regelungselektronik

mechanischer Kommutator :

sorgt für rechten Winkel

zwischen Ia und a

• Nachteil

mechanischer Kommutator

schränkt die Vielfalt

der Ausführungsformen ein

Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich

Bürstenlose Maschinen statt Gleichstrommaschinen ?!

B

Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich

• Nachteil

3 Strangströme:

gleichzeitige Regelung von

mindestens zwei Strangströmen

d muss ermittelt werden

• Vorteil

größere Vielfalt an Ausführungsformen:

Kommutator ist nicht “im Weg”

DC and AC Machines

DC machine

EC motor/BLDC motorsynchronous machine

Synchronous Motorwith Surface Mount Permanent Magnets

Standard industrial servo PMSM

distributed stator windings surface mounted PM

Aufbau des Rotors einer Synchronmaschinemit oberflächenmontierten Permanentmagneten

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

PMSM (Permanent Magnets Surface Mounted)SMPM (Surface Mounted Permanent Magnets )

Aufbau des Rotors einer Synchronmaschinemit oberflächenmontierten Permanentmagneten

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

SMPMSM(Surface Mounted Permanent Magnets Synchronous Machine )

Aufbau des Rotors einer Synchronmaschinemit oberflächenmontierten Permanentmagneten

… an diesen Stellenexistiert kein

magnetischer Fluss das Eisen kann entfallen

geringeres Trägheitsmoment höhere Dynamik

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

Synchronous Motorwith Buried (or Interior) Permanent Magnets

• rating : according to (continous) torque at standstill

• torque reduction at higher speed (caused by losses)

• high protection class (IP 65 or more), no forced cooling

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

Synchronous Motorwith Buried (or Interior) Permanent Magnets

IPMSM(Interior Permanent Magnets Synchronous Machine )

Ausführungsformen

Zylinderläufer

das ist „normal“

GlockenläuferScheibenläufer

… wegen des Kommutatorswäre diese Ausführung

als Gleichstrommaschinenicht einfach zu realisieren

Hochgeschwindigkeitsspindel

Siemens DSD Servomotor

Baumüller

“High Torque” Motor

BaumüllerSpindel-Motor

Franz Kessler

Drehstrom- (AC-) Servoantriebe

Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, Universität SiegenProf. Dr. -Ing. R. M. Kennel, Bergische Universität Wuppertal

• Bemessung : nach Stillstandsdrehmoment

• Dauer-Drehmoment im Stillstand (Mo) : < 200 Nm

• das Drehmoment nimmt mit zunehmender Drehzahl ab

• überwiegend Schutzart IP 65, nicht belüftet

• mechanische Abmessungen (Klassifizierung) nach Fenstermaß

(nicht nach Baugröße wie bei Standardmotoren) :

e. g. : 55, 60, 70, 92, 115, 140, 142, 190 (je nach Hersteller)

Moderne Servo-Motoren :

Synchronmotoren mit Permanentmagneten

Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, Universität Siegen

Prof. Dr. -Ing. R. M. Kennel, Bergische Universität Wuppertal

Vergleich Außenläufer - Innenläufer

Quelle: VENSYS Energiesysteme

DC and AC Machines

DC machine

asynchronous machine

EC motor/BLDC motorsynchronous machine

Servoantriebe mit Asynchronmotoren

Einsatz von Standard- bzw. Norm-Motoren

ist nicht möglich, da

für den Betrieb im Stillstand Zwangskühlung benötigt wird

für die Messung der Rotorposition ein Drehgeber benötigt wird

das bei hohen Drehzahlen notwendige Kippmoment

eine niedrigere Streuung als bei Norm-Motoren erfordert

der Einsatz anstelle bisheriger (DC-) Servoantriebe

ein schlankeres Design als bei Norm-Motoren erzwingt

Asynchronmotoren

Quelle : Fa. ATB (KUV-Motor)

schlanke Bauform für Servo-Anwendungen

Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, Universität Siegen

Prof. Dr. -Ing. R. M. Kennel, Bergische Universität Wuppertal

Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine

Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine

Grunddrehzahl-bereich

Feldschwäch-bereich

Design Criterions for Electrical Machines

• torque– continuous torque (at standstill !!)

– overload characteristic

(the ratio continuous torque to maximum torque

is between 1:3 and 1:6 with positioning drives)

– maximum torque pre-defines mechanical motor size !!!

• speed– base speed range (maximum speed)

– smooth operation at low speeds ??? caution !!!

– trick : increase of power by increase of speed

(no increase of motor size !)

zukünftige Entwicklungen

Einzelzahn-Wicklungen

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

Verteilte Wicklung Zahnspulenwicklung

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

Verteilte Wicklung Zahnspulenwicklung

… die mögliche Materialeinsparung reizt doch zu stark !!!

single tooth (bobbin) windings

cost reduction with respect

to significant smaller end windings

30 % less copper cost

disadvantage :

magnetic field

has non-sinusoidal distribution

… fortunately that does not matter for synchronous machines

… this techniques, however,

cannot be applied to asynchronous machines

single tooth (bobbin) windings

… fortunately that does not matter for synchronous machines

… this techniques, however,

cannot be applied to asynchronous machines

… die Lorentz-Kraft

F = B l i Kernpunkt : das Produkt zwischen B und i

… bei sinusförmiger Verteilung von B und i

sin(A) sin(B) =½ cos {A-B} - ½ cos {A+B}

… ergibt sich dann ein Ergebnis mit Mittelwert 0,

wenn die Wellenlänge der Sinusfunktionen gleich ist !

single tooth (bobbin) windings

… fortunately that does not matter for synchronous machines

… this techniques, however,

cannot be applied to asynchronous machines

sin(A) sin(B) =½ cos {A-B} - ½ cos {A+B}

… ergibt sich dann ein Ergebnis mit Mittelwert 0,

wenn die Wellenlänge der Sinusfunktionen gleich ist !

… sorgt man für ein oberwellenfreiesrein sinusförmiges B

(z. B. durch die Auslegung der Permanentmagnete)

… stören Oberwellen in der Stromverteilung i– zumindest theoretisch –

überhaupt nicht !!!

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

Zahnspulenwicklung

… es ist nicht nur die mögliche Materialeinsparung !!!

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

Zahnspulenwicklung

… Wickelköpfe produzieren in der Regel viel Verlustwärme !!

Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt

Zahnspulenwicklungbei einer Außenläufer-Synchronmaschine

… hier können die gleichen Fertigungseinrichtungenwie bei der Herstellung von Gleichstrom-Ankern

verwendet werden !!!

sehr interessant für BOSCH

Quelle : Prof. K. Hameyer, RWTH Aachen