Modellierung beweglicher Rotorelemente für Antriebe mit drehzahlabhängiger Flussverkettung

Die steigende Nachfrage nach elektrischen Traktionsantrieben fördert die Entwicklung von Motortopologien, die in einem großen Arbeitsbereich betrieben werden können. Maschinen mit variabler Flussverkettung bieten dabei eine vielversprechende Möglichkeit, durch die gezielte Anpassung des Rotorflusses den Drehzahlbereich im Vergleich zu konventionellen Synchronmaschinen zu vergrößern. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modellierung beweglicher Rotorelemente, die eine drehzahlabhängige Flussverkettung ermöglichen. Diese Komponenten, im Weiteren als Modulatoren bezeichnet, sollen aufgrund der Magnetkraft bis zur Nenndrehzahl der Maschine in ihrer Ausgangsposition gehalten werden. Bei höheren Geschwindigkeiten verschieben sich die
Modulatoren infolge der Fliehkraft radial nach außen und bewirken dadurch eine Reduktion des verketteten Rotorflusses. Die Modulatoren sollen daher so dimensioniert werden, dass die magnetische Kraft auf die Modulatoren sowie die Flussreduktion durch deren Auslenkung maximiert wird. Für die Untersuchungen wird die Maschine auf einen Eisenkreis mit Permanentmagneten und einem verschiebbaren Modulator reduziert. Basierend auf diesem vereinfachten Modell werden verschiedene analytische Modelle zur Optimierung der Modulatorgeometrie entwickelt, welche durch 2D-Simulationen in FEMM validiert werden. Zur Verifikation der Ergebnisse wird der entworfene Eisenkreis an einem Laborprüfstand getestet. Dabei werden die Funktionsweise des Prüfstands sowie die einzelnen Komponenten näher erläutert. Da die Abweichungen zwischen Mess- und Simulationsergebnissen erheblich sind,
werden mögliche Ursachen für die Unterschiede untersucht.
Mithilfe von 3D-Simulationen wird der Einfluss der Eisenkreistiefe auf den magnetischen Flussverlauf analysiert, welcher bei 2D-Simulationen vernachlässigt wird. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse lassen sich Bedingungen für die Zulässigkeit von 2D-Simulationsmodellen definieren. Dadurch können die Abweichungen zwischen Messungen und Simulationen deutlich reduziert werden. Die Simulation von Maschinen mit variabler Flussverkettung erfordert wesentlich mehr Rechenaufwand als die vergleichbarer Synchronmaschinen, da die Modulatoren zur Kraftberechnung
in Luft eingeschlossen sein müssen. Dies führt zu einer größeren Anzahl benötigter Gitter punkte und verlängert somit die Rechenzeit. Zur Reduzierung des Rechenaufwands wird eine Methode vorgestellt, die die Simulationsdauer bei der Maschinenauslegung verkürzt. Bei der Untersuchung des Eisenkreises kann durch diese Methode die Rechenzeit um ca. 37% reduziert werden.
Zusammenfassend kann mit dieser Arbeit anhand eines vereinfachten Motormodells das Prinzip der drehzahlabhängigen Rotorflussverkettung, welches auf beweglichen Modulatoren basiert, verifiziert werden. Zudem wird der Einfluss der Modulatorgeometrie auf die Funktionsweise der Maschine untersucht und die Form des Modulators entsprechend optimiert. In den Simulationen kann durch die Auslenkung des Modulators eine Flussreduktion von bis zu 35% erreicht werden, während die Reduktion in den Messungen aufgrund der geringen Tiefe des Eisenkreises nur 16% beträgt.