Prinzipieller Aufbau elektrischer Maschinen - eal.ei.tum.de · Lehrveranstaltung „Elektrische...
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Lehrveranstaltung„Elektrische Antriebstechnik – Grundlagen und Anwendungen“
Prinzipieller Aufbau elektrischer Maschinen
Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel
Technische Universität München
Arcisstraße 21
80333 München
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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
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die Lorentz-Kraftphysikalische Grundlage
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
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die Lorentz-Kraftphysikalische Grundlage
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
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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 !!!
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Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
die Lorentz-Kraft… man kann es auch mit dem „Maxwell‘schen Zug“ erklären
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If
B
die Lorentz-KraftKrafterzeugung in der Gleichstrommaschine
Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich
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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
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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”
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DC and AC Machines
DC machine
EC motor/BLDC motorsynchronous machine
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Synchronous Motorwith Surface Mount Permanent Magnets
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Standard industrial servo PMSM
distributed stator windings surface mounted PM
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Aufbau des Rotors einer Synchronmaschinemit oberflächenmontierten Permanentmagneten
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
PMSM (Permanent Magnets Surface Mounted)SMPM (Surface Mounted Permanent Magnets )
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Aufbau des Rotors einer Synchronmaschinemit oberflächenmontierten Permanentmagneten
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
SMPMSM(Surface Mounted Permanent Magnets Synchronous Machine )
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Aufbau des Rotors einer Synchronmaschinemit oberflächenmontierten Permanentmagneten
… an diesen Stellenexistiert kein
magnetischer Fluss das Eisen kann entfallen
geringeres Trägheitsmoment höhere Dynamik
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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
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Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Synchronous Motorwith Buried (or Interior) Permanent Magnets
IPMSM(Interior Permanent Magnets Synchronous Machine )
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Ausführungsformen
Zylinderläufer
das ist „normal“
GlockenläuferScheibenläufer
… wegen des Kommutatorswäre diese Ausführung
als Gleichstrommaschinenicht einfach zu realisieren
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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
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• 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
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Vergleich Außenläufer - Innenläufer
Quelle: VENSYS Energiesysteme
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DC and AC Machines
DC machine
asynchronous machine
EC motor/BLDC motorsynchronous machine
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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
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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
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Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine
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Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine
Grunddrehzahl-bereich
Feldschwäch-bereich
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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 !)
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zukünftige Entwicklungen
Einzelzahn-Wicklungen
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Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Verteilte Wicklung Zahnspulenwicklung
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Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Verteilte Wicklung Zahnspulenwicklung
… die mögliche Materialeinsparung reizt doch zu stark !!!
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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
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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 !
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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 !!!
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Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Zahnspulenwicklung
… es ist nicht nur die mögliche Materialeinsparung !!!
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Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Zahnspulenwicklung
… Wickelköpfe produzieren in der Regel viel Verlustwärme !!
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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
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Quelle : Prof. K. Hameyer, RWTH Aachen