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Elektromotor mit integrierter Leistungselektronik

Geometrieoptimierung für höhere Momente und Überlastbarkeit

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Lenze SE
FAULHABER Antriebssysteme
Heitec AG
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Schließlich wird die Abhängigkeit von Wirkungsgrad, Leistungsfaktor und Materialkosten von den Magnetparametern untersucht. Es stellt sich heraus, dass mit zunehmendem Polbedeckungsfaktor und zunehmender Magnethöhe sich zwar Leistungsfaktor und Wirkungsgrad stetig verbessern, jedoch der Anstieg zunehmend geringer wird, während die Materialkosten linear steigen. Deshalb muss ein Kompromiss zwischen Kosten und Wirkungsgrad gefunden werden. Die übrigen Parameter können unabhängig von allen anderen Parametern und Varianten gewählt werden, da bei weiteren Parametervariationen nur sehr schwache Abhängigkeiten zu den Parametern Di, alpha_NF und alpha_NO bestehen.

Den Leistungsfaktor und Spannungsbedarf optimieren

Bei der Auslegung der zweiten Variante steht der Leistungsfaktor mit der Absicht möglichst guter Überlasteigenschaften im Vordergrund. Nun werden jeweils die Parameterwerte mit dem höchsten Leistungsfaktor bei einem Wirkungsgrad eta>0,92 ausgewählt.

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Ein anderer Ansatz (Variante 3), um die Überlasteigenschaften zu optimieren, ist die Minimierung des Spannungsbedarfes im Nennbetrieb. Weiterhin soll ein Kompromiss aus Leistungsfaktor und Wirkungsgrad gefunden werden.

Es ist nun zu überprüfen, ob die Magnete bei 2-facher Überlast entmagnetisiert werden. Dazu darf die maximale Feldstärke den in Femag analytisch geschätzten Grenzwert nicht überschreiten. Hierbei ergibt sich, dass die Magnetdicke von 7 auf 8 mm zu erhöhen ist. Die Werte für den Wirkungsgrad, den Leistungsfaktor und die Materialkosten haben sich mit der höheren Magnetdicke kaum verändert. Variante 2 erfüllt die Vorgabe für die Momentenwelligkeit nicht, während Variante 1 und 3 hier sehr gute Werte aufweisen (etwa 0,3% des Nennmomentes). Variante 2 wird aufgrund des schlechtesten Wirkungsgrades ausgeschlossen. Variante 1 und 3 sind in den meisten Werten sehr ähnlich. Um eine Entscheidung zu treffen, wird für Variante 1 und 3 der Feldschwächbetrieb untersucht.

Mit der Berechnung der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien stellt sich heraus, dass Variante 1 deutlich besser feldschwächbar ist als Variante 3, jedoch erfüllen beide Varianten die Forderung der Feldschwächbetrieb bis zur doppelten Nenndrehzahl. Entscheidend ist nun die Überlastbarkeit im unteren Drehzahlbereich. Dazu wird bei 2-facher Überlast der Drehzahlbereich unterhalb der Nenndrehzahl der Leistungsfaktor numerisch untersucht, was Bild 4 zeigt.

Bei der Drehzahl n=0 ist der Leistungsfaktor für beide Varianten 1 und fällt zunächst sehr steil ab. Bei Drehzahlen n>0 ist der Leistungsfaktor für Variante 3 stets etwas höher. Die Differenz zwischen den Leistungsfaktoren von Variante 1 und 3 nimmt bis n=200 min-1 zu und bleibt anschließend konstant. Damit ist Variante 3 im unteren Drehzahlbereich besser überlastbar. Insgesamt sind die Ergebnisse für beide Maschinenvarianten sehr ähnlich. Wegen des besseren Überlastverhaltens wird aber Variante 3 favorisiert.

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben „EMiLE“ wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Kennzeichen 16EMO0007 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

* M.Sc. Felix Klute arbeitet im Bereich Innovation bei Lenze SE, Hameln.

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