Aktive Rotorkühlung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine für die elektrische Traktion
Thorben Grosse-von Tongeln
Permanentmagneterregte Synchronmaschinen werden bei hohen Drehzahlen im Feldschwächbereich betrieben. Diese Feldschwächung wird mit Hilfe eines negativ eingeprägten Stromes in der d-Achse erreicht. Dieser Strom erzeugt zusätzliche Stromwärmeverluste im Stator der Maschine, die den Wirkungsgrad negativ beeinflussen und die Motortemperatur ansteigen lassen. Neben diesen Stromwärmeverlusten entstehen bei hohen Drehzahlen, bedingt durch die Nutungseffekte des Stators, Eisenverluste im Rotor. Diese können bei den in dieser Arbeit untersuchten Motoren auf Werte von bis zu 10 % der Gesamtverluste ansteigen. Im Falle einer unzureichenden Entwärmung über die Welle, das Lager und den Stator erwärmt sich in diesem Betrieb der Rotor innerhalb weniger Minuten unzulässig.
Permanentmagnete der NdFeB Gruppe, die typischerweise in Traktionsmotoren eingesetzt werden, weisen eine starke Temperaturabhängigkeit für die Werte der Remanenz und der Koerzitivkraft auf. Bei steigenden Temperaturen sinkt die Festigkeit gegen irreversible Entmagnetisierungseffekte des Permanentmagnetsystems im Rotor.
Klassische Mantelkühlungen, die am Außendurchmesser des Stators wirken, haben einen verminderten Einfluss auf die Temperatur des Rotors. Um eine Rotorkühlung zu realisieren, gibt es Ansätze, den Rotor mittels erzwungener Konvektion durch Luftströmung oder Ölkühlung über die Welle zu entwärmen. Diese Technologien sind bei schnelldrehenden Innenläufer-Motoren nicht oder nur mit großem Aufwand applizierbar. Durch das Zusatzgewicht der Rotorkühleinrichtung sinkt die Leistungsdichte bzw. das Leistungsgewicht des Antriebs. Ziel ist ein gewichtsneutrales Rotorkühlungssystem, das durch die konstante Temperatur im Rotor die Leistungsdichte signifikant erhöht. Gleichzeitig steigt hiermit die Entmagnetisierungsfestigkeit der Maschine, was den dauerhaft thermisch zulässigen Arbeitsbereich erweitert. In dieser Arbeit wird eine Rotorkühlung untersucht und implementiert, bei der das Rotorpaket über eine Hohlwelle entwärmt wird.
Das in der Arbeit eingesetzte Kühlsystem wird in ein bereits am Institut validiertes Motordesign (Initialdesign) integriert. Dies ermöglicht eine gute Vergleichbarkeit und Bewertung des entwickelten Rotorkühlsystems, da alle Komponenten des Motors und die Wicklungstopologie unverändert bleiben. Lediglich die magnetisch aktiven Elemente (Rotor, Stator, Wicklung) werden angepasst. Die Bewertung des Einflusses der Rotorkühlung und die damit einhergehende Anpassung der Komponenten auf das Betriebsverhalten des angepassten Motors (Neudesign) erfolgen unter Verwendung eines thermischen Modells.
Die implementierte Rotorkühlung führt dazu, dass oberhalb von 4.000 min-1 der Volumenstrom der Rotorkühlung von 2 L/s auf bis zu 5 L/s bei 10.000 min-1 ansteigt. Dies bewirkt ein Absinken der Rotortemperatur um bis zu 30 K. Mit steigenden Drehzahlen führt dies zu einem stetigen Aufweiten des thermisch dauerhaft zulässigen Betriebsbereichs des Antriebs. Bei maximaler Drehzahl kann eine Drehmomentdifferenz von 6 Nm erzielt werden. Die aktive Entwärmung des Rotors führt dazu, dass die dauerhaft stellbare mechanische Leistung des Motors bei 10.000 min-1 von 25,1 kW um 25,2 % auf 31,4 kW ansteigt.
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Kay Hameyer
