Aktualisiert: 2023-05-29
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Handbuch Elektrische Kleinantriebe / Kleinmotoren, Leistungselektronik
Autor: Axel Mertens
Handbuch Elektrische Kleinantriebe / Kleinmotoren, Leistungselektronik
Handbuch Elektrische Kleinantriebe / [Set Handbuch Elektrische Kleinantriebe, Band 1+2]
![Handbuch Elektrische Kleinantriebe / [Set Handbuch Elektrische Kleinantriebe, Band 1+2] von Bertolini, Thomas, Fuchs, Thomas, Heidrich, Tobias, Mertens, Axel, Möckel, Andreas, Roschke, Thomas, Stölting, Hans-Dieter, Weissmantel, Heinz](https://buch-findr.de/media/handbuch-elektrische-kleinantriebe-set-handbuch-elektrische-kleinantriebe-band-12-bertolini-thomas-fuchs-thomas-heidrich-tobias-mertens-axel-moeckel-andreas-roschke-thomas-stoelting_9783110612103_295.jpg)
Handbuch Elektrische Kleinantriebe / Kleinmotoren, Leistungselektronik
Elektrisch erregte Synchronmaschine mit kontaktlosem induktiven Übertragungssystem ohne zusätzlichen Wechselrichter
Außerhalb der Energieerzeugung werden bei elektrisch erregten Synchronmaschinen (ESM) meist Schleifringsysteme eingesetzt. Deshalb sind Erregersysteme entstanden, die durch die Verwendung eines Rotationstransformators (RT), den erforderlichen Erregerstrom kontaktlos übertragen. Ziel dieser Dissertation ist es, den zusätzlichen Wechselrichter zur Speisung des RT durch ein neuartiges Antriebssystem einzusparen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Dimensionierung sowie Analyse des neuartigen Erregerkonzepts, bei dem das Erregersystem in den Nullleiter eingebracht und über die Gleichtaktspannung des Maschinen-Umrichters versorgt wird. Die dimensionierte Schenkelpolsynchronmaschine als auch das Erregersystem werden als Prototypen realisiert und das Dimensionierungsverfahren sowie die Funktion des Erregersystems anhand von Messungen validiert.
Aktualisiert: 2023-05-11
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Einfluss von Wicklung und isolierung auf das Schwingungsverhalten elektrischer Maschinen
Das akustische Verhalten elektrischer Maschinen gewinnt nicht zuletzt auf Grund zunehmender Elektrifizierung im Mobilitätsbereich an Bedeutung. Im Vergleich zum konventionellen Verbrennungsmotor wird das akustische Verhalten der elektrischen Maschine von Einzeltönen im kHz-Bereich dominiert. Diese Einzeltöne treten auf, wenn die Eigenfrequenzen und -formen des Ständers durch magnetische Kräfte im Luftspalt der elektrischen Maschine angeregt werden. Für eine genaue Vorausberechnung des akustischen Verhaltens ist neben einer Bestimmung der magnetischen Kräfte und des akustischen Abstrahlverhaltens auch eine genaue Berechnung und Kenntnis des strukturdynamischen Verhaltens essentiell. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss der Wicklung und der Isolierung auf das strukturdynamische Schwingungsverhalten elektrischer Maschinen untersucht. Dafür wird das Schwingungsverhalten von vier Ständern elektrischer Maschinen mit drei unterschiedlichen Wicklungs- und zwei unterschiedlichen Isolierungsarten messtechnisch und simulativ untersucht.
Aktualisiert: 2023-03-14
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Einfluss von Wicklung und isolierung auf das Schwingungsverhalten elektrischer Maschinen
Das akustische Verhalten elektrischer Maschinen gewinnt nicht zuletzt auf Grund zunehmender Elektrifizierung im Mobilitätsbereich an Bedeutung. Im Vergleich zum konventionellen Verbrennungsmotor wird das akustische Verhalten der elektrischen Maschine von Einzeltönen im kHz-Bereich dominiert. Diese Einzeltöne treten auf, wenn die Eigenfrequenzen und -formen des Ständers durch magnetische Kräfte im Luftspalt der elektrischen Maschine angeregt werden. Für eine genaue Vorausberechnung des akustischen Verhaltens ist neben einer Bestimmung der magnetischen Kräfte und des akustischen Abstrahlverhaltens auch eine genaue Berechnung und Kenntnis des strukturdynamischen Verhaltens essentiell. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss der Wicklung und der Isolierung auf das strukturdynamische Schwingungsverhalten elektrischer Maschinen untersucht. Dafür wird das Schwingungsverhalten von vier Ständern elektrischer Maschinen mit drei unterschiedlichen Wicklungs- und zwei unterschiedlichen Isolierungsarten messtechnisch und simulativ untersucht.
Aktualisiert: 2023-03-23
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Elektrisch erregte Synchronmaschine mit kontaktlosem induktiven Übertragungssystem ohne zusätzlichen Wechselrichter
Außerhalb der Energieerzeugung werden bei elektrisch erregten Synchronmaschinen (ESM) meist Schleifringsysteme eingesetzt. Deshalb sind Erregersysteme entstanden, die durch die Verwendung eines Rotationstransformators (RT), den erforderlichen Erregerstrom kontaktlos übertragen. Ziel dieser Dissertation ist es, den zusätzlichen Wechselrichter zur Speisung des RT durch ein neuartiges Antriebssystem einzusparen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Dimensionierung sowie Analyse des neuartigen Erregerkonzepts, bei dem das Erregersystem in den Nullleiter eingebracht und über die Gleichtaktspannung des Maschinen-Umrichters versorgt wird. Die dimensionierte Schenkelpolsynchronmaschine als auch das Erregersystem werden als Prototypen realisiert und das Dimensionierungsverfahren sowie die Funktion des Erregersystems anhand von Messungen validiert.
Aktualisiert: 2022-11-25
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Elektrisch erregte Synchronmaschine mit kontaktlosem induktiven Übertragungssystem ohne zusätzlichen Wechselrichter
Außerhalb der Energieerzeugung werden bei elektrisch erregten Synchronmaschinen (ESM) meist Schleifringsysteme eingesetzt. Deshalb sind Erregersysteme entstanden, die durch die Verwendung eines Rotationstransformators (RT), den erforderlichen Erregerstrom kontaktlos übertragen. Ziel dieser Dissertation ist es, den zusätzlichen Wechselrichter zur Speisung des RT durch ein neuartiges Antriebssystem einzusparen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Dimensionierung sowie Analyse des neuartigen Erregerkonzepts, bei dem das Erregersystem in den Nullleiter eingebracht und über die Gleichtaktspannung des Maschinen-Umrichters versorgt wird. Die dimensionierte Schenkelpolsynchronmaschine als auch das Erregersystem werden als Prototypen realisiert und das Dimensionierungsverfahren sowie die Funktion des Erregersystems anhand von Messungen validiert.
Aktualisiert: 2023-01-06
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Transiente Simulation elektrisch erregter Synchronmaschinen mit Parameterfindung durch magnetische Ersatznetzwerke
Diese Arbeit thematisiert die Modellierung einer Schenkelpolsynchronmaschine mittels magnetischer Ersatznetzwerke. Es wird die Vorgehensweise beschrieben, wie das Netzwerk auf den Ständer sowie den Läufer angewandt wird. Weiterhin wird detailliert erläutert, wie die einzelnen magnetischen Leitwerte des Netzwerks mittels der Flussröhrentheorie rein auf Basis der geometrischen Größen berechnet werden. Außerdem wird dargestellt, wie der Ständer und der Läufer im Luftspalt so vernetzt werden, dass eine kontinuierliche Abbildung der Läuferdrehung wie bei der FEM realisiert werden kann. Genutzt wird die Methode zur Berechnung verschiedener transienter Vorgänge, die jeweils mit FEM- und Messergebnissen verglichen werden. Weiterhin wird auf die Besonderheiten von Maschinen mit mehreren Dreiphasensubsystem eingegangen und wie diese vereinfacht bei der transienten Simulation mit Raumzeigern berücksichtigt werden können.
Aktualisiert: 2022-08-05
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Regelung von Induktionsmaschinen im gesamten Drehzahlbereich ohne Gebersystem
Der geberlose Betrieb von elektrischen Maschinen bietet durch den Wegfall des Gebers zahlreiche Potentiale: So können Kosten, Bauvolumen und Wartungsaufwand reduziert werden.
In dieser Dissertation wird eine Beobachterstruktur mit zugehöriger Lage- bzw. Drehzahladaption entworfen, die im gesamten Drehzahlbereich unabhängig von der Statorfrequenz verwendet werden kann. Das Verfahren basiert auf einer hybriden Auswertung, die sowohl die Drehzahlinformation durch die induzierte Spannung als auch die Rotorlageinformation auf Basis einer Anisotropie nutzt. Ein neuartiges Rotordesign für die Induktionsmaschine wird zur Steigerung der Anisotropie untersucht. Dazu wird eine kurzgeschlossene Zusatzwicklung einachsig in den Rotor eingelegt.
Das untersuchte Verfahren in Kombination mit dem vorgeschlagenen Rotordesign ermöglicht die Anwendung der Induktionsmaschine als geberlosen Antrieb im gesamten Drehzahlbereich.
Aktualisiert: 2022-08-05
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Transiente Simulation elektrisch erregter Synchronmaschinen mit Parameterfindung durch magnetische Ersatznetzwerke
Diese Arbeit thematisiert die Modellierung einer Schenkelpolsynchronmaschine mittels magnetischer Ersatznetzwerke. Es wird die Vorgehensweise beschrieben, wie das Netzwerk auf den Ständer sowie den Läufer angewandt wird. Weiterhin wird detailliert erläutert, wie die einzelnen magnetischen Leitwerte des Netzwerks mittels der Flussröhrentheorie rein auf Basis der geometrischen Größen berechnet werden. Außerdem wird dargestellt, wie der Ständer und der Läufer im Luftspalt so vernetzt werden, dass eine kontinuierliche Abbildung der Läuferdrehung wie bei der FEM realisiert werden kann. Genutzt wird die Methode zur Berechnung verschiedener transienter Vorgänge, die jeweils mit FEM- und Messergebnissen verglichen werden. Weiterhin wird auf die Besonderheiten von Maschinen mit mehreren Dreiphasensubsystem eingegangen und wie diese vereinfacht bei der transienten Simulation mit Raumzeigern berücksichtigt werden können.
Aktualisiert: 2022-08-05
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Regelung von Induktionsmaschinen im gesamten Drehzahlbereich ohne Gebersystem
Der geberlose Betrieb von elektrischen Maschinen bietet durch den Wegfall des Gebers zahlreiche Potentiale: So können Kosten, Bauvolumen und Wartungsaufwand reduziert werden.
In dieser Dissertation wird eine Beobachterstruktur mit zugehöriger Lage- bzw. Drehzahladaption entworfen, die im gesamten Drehzahlbereich unabhängig von der Statorfrequenz verwendet werden kann. Das Verfahren basiert auf einer hybriden Auswertung, die sowohl die Drehzahlinformation durch die induzierte Spannung als auch die Rotorlageinformation auf Basis einer Anisotropie nutzt. Ein neuartiges Rotordesign für die Induktionsmaschine wird zur Steigerung der Anisotropie untersucht. Dazu wird eine kurzgeschlossene Zusatzwicklung einachsig in den Rotor eingelegt.
Das untersuchte Verfahren in Kombination mit dem vorgeschlagenen Rotordesign ermöglicht die Anwendung der Induktionsmaschine als geberlosen Antrieb im gesamten Drehzahlbereich.
Aktualisiert: 2022-08-05
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Elektromagnetische Gestaltung permanentmagneterregter Synchronmaschinen für den geberlos geregelten Betrieb im gesamten Drehzahlbereich
In vielen Bereichen der Industrie werden permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) als kompakte elektrische Servoantriebe mit einer hohen Drehmomentdichte eingesetzt. Mechanische Rotorlagegeber für die Antriebsregelung stellen jedoch eine potentielle Fehlerquelle dar. Ein Defekt der Elektronik führt zu einem Ausfall des gesamten Antriebs.
Geberlose Regelungsverfahren ermöglichen den Betrieb von PMSM ohne mechanischen Rotorlagegeber. Neben der erhöhten Ausfallsicherheit stellen die Reduktion des Bauvolumens und der Kosten weitere Vorteile dar.
In dieser Arbeit werden die Wechselwirkungen zwischen Maschineneigenschaften und geberloser Regelung näher untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der elektromagnetischen Gestaltung der PMSM. Es wird ein zeiteffizienter Lösungsansatz zur Vorausberechnung der Maschinencharakteristik erarbeitet, der numerische Verfahren auf Basis der Finite-Elemente-Methode mit analytischen Berechnungen kombiniert.
Aktualisiert: 2022-02-10
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Elektromagnetische Gestaltung permanentmagneterregter Synchronmaschinen für den geberlos geregelten Betrieb im gesamten Drehzahlbereich
In vielen Bereichen der Industrie werden permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) als kompakte elektrische Servoantriebe mit einer hohen Drehmomentdichte eingesetzt. Mechanische Rotorlagegeber für die Antriebsregelung stellen jedoch eine potentielle Fehlerquelle dar. Ein Defekt der Elektronik führt zu einem Ausfall des gesamten Antriebs.
Geberlose Regelungsverfahren ermöglichen den Betrieb von PMSM ohne mechanischen Rotorlagegeber. Neben der erhöhten Ausfallsicherheit stellen die Reduktion des Bauvolumens und der Kosten weitere Vorteile dar.
In dieser Arbeit werden die Wechselwirkungen zwischen Maschineneigenschaften und geberloser Regelung näher untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der elektromagnetischen Gestaltung der PMSM. Es wird ein zeiteffizienter Lösungsansatz zur Vorausberechnung der Maschinencharakteristik erarbeitet, der numerische Verfahren auf Basis der Finite-Elemente-Methode mit analytischen Berechnungen kombiniert.
Aktualisiert: 2022-02-10
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Aktive Geräuschunterdrückung in einer permanentmagneterregten Synchronmaschine mit Hilfe von Stromoberschwingungen
Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Geräuschemissionen, die elektrische automobile Hauptantriebe verursachen. In elektrischen Antrieben erzeugen Magnetfelder pulsierende Kräfte, die Vibrationen anregen. Eigenresonanzen der Struktur verstärken diese Vibrationen zusätzlich. Zwei dominante Eigenschwingungsformen (Moden) werden im Detail betrachtet, sowohl die radiale Mode-0 (Atemmode) als auch die tangentiale Mode-0.
Es wird eine Methodik entwickelt, die den Einfluss von Oberschwingungsströmen auf die beiden Moden beschreibt. Aufbauend hierauf werden Kompensationsströme semianalytisch, numerisch und basierend auf Messergebnissen berechnet. Gemessene Beschleunigungen der Moden bilden die Basis für die Validierung der Methodik.
Zentrales Ergebnis der Arbeit ist, dass die radiale und tangentiale Mode-0 unabhängig voneinander beeinflusst werden können. Bei den Resonanzen führt die Reduktion der Vibrationen auch zu einer Reduzierung der abgestrahlten Geräusche.
Aktualisiert: 2021-12-22
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Aktive Geräuschunterdrückung in einer permanentmagneterregten Synchronmaschine mit Hilfe von Stromoberschwingungen
Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Geräuschemissionen, die elektrische automobile Hauptantriebe verursachen. In elektrischen Antrieben erzeugen Magnetfelder pulsierende Kräfte, die Vibrationen anregen. Eigenresonanzen der Struktur verstärken diese Vibrationen zusätzlich. Zwei dominante Eigenschwingungsformen (Moden) werden im Detail betrachtet, sowohl die radiale Mode-0 (Atemmode) als auch die tangentiale Mode-0.
Es wird eine Methodik entwickelt, die den Einfluss von Oberschwingungsströmen auf die beiden Moden beschreibt. Aufbauend hierauf werden Kompensationsströme semianalytisch, numerisch und basierend auf Messergebnissen berechnet. Gemessene Beschleunigungen der Moden bilden die Basis für die Validierung der Methodik.
Zentrales Ergebnis der Arbeit ist, dass die radiale und tangentiale Mode-0 unabhängig voneinander beeinflusst werden können. Bei den Resonanzen führt die Reduktion der Vibrationen auch zu einer Reduzierung der abgestrahlten Geräusche.
Aktualisiert: 2022-01-06
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Gestaltung von Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen für die Metalladditive Fertigung
Die 3D-Gestaltungsfreiheit der Additiven Fertigung kann auch im Elektromaschinenbau vorteilhaft zur Funktionsintegration oder zur Erhöhung des Leichtbaugrads genutzt werden. Dies wird in der vorliegenden Dissertation am Beispiel von Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen erforscht. Da im Fall massiver Rotoren insbesondere im Bereich der Rotoroberfläche Wirbelstromverluste zu erwarten sind, wird zunächst der Ansatz diskutiert, ebendiese Wirbelstromeffekte durch gezieltes Schraffieren der Rotoroberfläche zu unterdrücken. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Gestaltung des Rotors für die Additive Fertigung, wobei insbesondere der weichmagnetische Rotorteil so gestaltet wird, dass eine Schrägungswirkung erzielt wird und gleichzeitig die Magnettaschen axial gerade verbleiben. Die Auswirkung dieser Art der Schrägung wird dabei ausführlich diskutiert und die Erkenntnisse messtechnisch validiert, um daraus letztlich Handlungsempfehlungen zur vorteilhaften Gestaltung von additiv gefertigten Rotoren abzuleiten.
Aktualisiert: 2021-10-20
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Gestaltung von Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen für die Metalladditive Fertigung
Die 3D-Gestaltungsfreiheit der Additiven Fertigung kann auch im Elektromaschinenbau vorteilhaft zur Funktionsintegration oder zur Erhöhung des Leichtbaugrads genutzt werden. Dies wird in der vorliegenden Dissertation am Beispiel von Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen erforscht. Da im Fall massiver Rotoren insbesondere im Bereich der Rotoroberfläche Wirbelstromverluste zu erwarten sind, wird zunächst der Ansatz diskutiert, ebendiese Wirbelstromeffekte durch gezieltes Schraffieren der Rotoroberfläche zu unterdrücken. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Gestaltung des Rotors für die Additive Fertigung, wobei insbesondere der weichmagnetische Rotorteil so gestaltet wird, dass eine Schrägungswirkung erzielt wird und gleichzeitig die Magnettaschen axial gerade verbleiben. Die Auswirkung dieser Art der Schrägung wird dabei ausführlich diskutiert und die Erkenntnisse messtechnisch validiert, um daraus letztlich Handlungsempfehlungen zur vorteilhaften Gestaltung von additiv gefertigten Rotoren abzuleiten.
Aktualisiert: 2021-10-20
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Permanenterregte Synchronmaschinen hoher Drehmomentdichte
Im Fokus dieser Arbeit stehen permanenterregte Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklungen. Die Steigerung der Drehmomentdichte kann durch eine Erhöhung der Stromdichte erfolgen. Diese wird durch eine direkte Flüssigkeitskühlung der Statorwicklung ermöglicht. Es wird aufgezeigt, wie Maschinen mit hohen möglichen Stromdichten sinnvoll dimensioniert werden können.
Zu Beginn der Arbeit werden Methoden zur Berechnung magnetischer Widerstände für den Stator elektrischer Maschinen vorgestellt und bewertet. Anhand systematischer Parametervariationen mit einem neuartigen Verfahren zur schnellen Maschinenidentifikation wird ein Motor für den Einsatz hoher Stromdichten und das Erreichen hoher Drehmomentdichten dimensioniert. Daraus wird eine analytische Grobdimensionierung in Kombination mit einem vereinfachten magnetischen Ersatznetzwerk erarbeitet. Außerdem wird in dieser Dissertation die geschlossen-analytische Berechnung der Stromverdrängung um den Einfluss endlicher Permeabilität sowie des Nutlängsfelds erweitert.
Aktualisiert: 2021-08-04
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