Motorintegrierte Leistungs- und Regelungselektronik

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SPEA GmbH Systeme f. professionelle Elektronik und Automation

Kisling AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Lenze SE

Fünfphasige PMSM in Zahnspulentechnik

Im Innenraum wurde eine weitere Neuheit realisiert, ein Ringkondensator mit umlaufendem Busbar, welcher von TDK im Projekt EMiLE entwickelt wurde. Er sorgt für eine besonders niederimpedante Anbindung der schaltenden Leistungshalbleiter an den Zwischenkreis. Dadurch werden EMV-Probleme minimiert, die durch große Kommutierungszellen entstehen. Wird jede Zahnspule einzeln bestromt, lassen sich beliebige Phasenzahlen realisieren. Die aus fertigungstechnischen Gründen begrenzte Anzahl von Zahnspulen stellt bei diesem Konzept noch eine Grenze dar.

Es ist bekannt, dass sich mit einer höheren Phasenzahl eine bessere Grundfeldausnutzung und somit bei gleichem Materialeinsatz ein besserer Wirkungsgrad als bei dreiphasigen Maschinen erzielen lässt. Deshalb hat Lenze eine fünfphasige PMSM (Permanent-Magnet-Synchron-Maschine) und die dazugehörige multiphasige Vektorregelung entwickelt.

Durch die Kombination einer fünfphasigen PMSM mit Vektorregelung und einer hochintegrierten Leistungselektronik erhält der Antrieb die Leistungsmerkmale heutiger Servoantriebe bei Abmessungen, die den Servo-Asynchronmotoren der MCA-Serie von Lenze entsprechen.

Einzelspulen-Bestromung schafft neue Freiheiten

Neuartige Vollbrücken-Zahnmodule in Form von Smart-Stator-Tooth-Modulen (SST) sind ein weiterer Meilenstein des Projekt EMiLE. Dabei sind Stromregelung und Gate-Ansteuerung direkt am Zahnmodul realisiert.

Die Topologie des Antriebes bietet zwei neuartige Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung: Erstens sind beliebige Stromformen in den Stator einprägbar. Somit kann ein Statorfeld mit einer überlagerten dritten Harmonischen erzeugt werden. In einem fünfphasigen System lässt sich diese Harmonische zur Erzeugung eines zeitlich konstanten Drehmoments nutzen. Zweitens ist die Schaltfrequenz abhängig vom Phasenwinkel für jede Motorphase einzeln eingestellbar. Dadurch können Schalt- und Umladeverluste ohne Einbußen bei der Antriebs-Performance reduziert werden.

Einbindung in ein industrielles DC-Netz

Servoantriebe im DC-Verbund zu betreiben ist Stand der Technik, denn so kann die anfallende Bremsenergie optimal zwischen den verschiedenen Achsen ausgetauscht und auf große Bremswiderstände verzichtet werden. Auch der hier vorgestellte Antrieb ist von Anfang an für den Betrieb in einem industriellen Gleichstromnetz (DC-Netz) ausgelegt worden.

Die auf dem Markt verfügbaren Kompakt-Servoantriebe erreichen eine Nennleistung von etwa 5 kW – diese Leistung ist zu gering für viele anspruchsvolle Applikationen. Wie die ersten Messungen zeigen, wird der hier vorgestellte Antrieb eine mindestens dreifach höhere Nennleistung erreichen und das bei einer für Direktantriebe optimalen Bemessungsdrehzahl von nur 600 rpm.

Der hier vorgestellte Antrieb ist das Ergebnis einer wissenschaftlichen Machbarkeitsstudie, kein marktreifes Serienprodukt. Das in diesem Artikel skizzierte Konzept benötigt noch viele Spezialkomponenten und auch eine aufwendige Montage. Um das Kostenniveau heutiger Servoantriebe zu erreichen, muss das gezeigte Integrationskonzept hinsichtlich seiner Fertigbarkeit nochmals vereinfacht werden.

Aktuell arbeitet Lenze daran, die Vorteile des hier vorgestellten Konzeptes beizubehalten, aber eine standardisierte und teilweise automatisierbare Montage zu ermöglichen. Weiterhin sollen die Spezialkomponenten weitestgehend durch kostengünstigere Standardkomponenten ersetzt werden. Der Kundenvorteil bei einem hochintegrierten Antrieb liegt im verminderten Montageaufwand, dem Entfall der in der Praxis fehleranfälliger Geberleitungen und dem eingesparten Platz im Schaltschrank. Gerade für modular aufgebaute Maschinen und Anlagen, welche in der Industrie 4.0 an Bedeutung gewinnen werden, ist dies ein großer Vorteil.

* Jan Wettlaufer Dipl.-Ing. Jan Wettlaufer arbeitet zum Thema Integration der Leistungselektronik in der Abteilung Innovation der Lenze SE, Extertal.

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