Modellierung, Simulation und Optimierung des Betriebsverhaltens von hocheffizienten PM-Synchronmotoren in Ferrittechnik
Frank Rettinger
Die Verabschiedung der Verordnung Nr. 640/2009 der Europäischen Kommission und die daraus resultierende schrittweise Einführung der Energieeffizienzklassen für am Netz betriebene Drehstrom-Asynchronmotoren rückt den Faktor Energieeffizienz, vor allem bei Hauptantrieben, immer weiter in den Fokus. Daher fordert der Markt bereits schon heute Motoren der Effizienzklasse IE4. Aufgrund der prinzipbedingten Rotorverluste ist das Erreichen der Effizienzklasse IE4 für Motoren in Asynchrontechnik jedoch gerade bei kleinen Achshöhen problematisch. Abhilfe kann an dieser Stelle der Einsatz von PM-Synchronmotoren schaffen, die feldorientiert am Umrichter betrieben werden. Neben der Verbesserung des Motorwirkungsgrads kann hier, je nach Applikation, der Systemwirkungsgrad durch die Möglichkeit der Drehzahlstellung deutlich verbessert werden. Aufgrund der ungünstigen Preisstellung und Verfügbarkeit ist ein Verzicht auf Seltenerdmagnete wünschenswert. Eine Alternative stellt die Verwendung günstiger und gut verfügbarer Ferritmagnete dar. Daher beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Frage, inwiefern Motoren in Ferrittechnik das Potential besitzen als drehzahlveränderbarer Hauptantrieb höchste Effizienzanforderungen zu erfüllen.
Nachdem zunächst ein favorisiertes Motorkonzept identifiziert wird, fokussiert sich die Arbeit auf die analytische Beschreibung des magnetischen, elektrischen und thermischen Verhaltens des Ferritmotors und schafft somit einen Zugang zum Motor in Ferrittechnik. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Beschreibung des stationären Betriebsverhaltens der PM-Synchronmaschine mittels eines magnetischen Ersatznetzwerks. Neben der Systematik zur Ermittlung des beschreibenden Gleichungssystems wird die gradientenbasierte Lösung der nichtlinearen Netzwerkgleichungen mithilfe des Newtonverfahrens vorgestellt.
Auf dieser Basis wird ein optimiertes Funktionsmuster entworfen und messtechnisch untersucht. Anhand der Messergebnisse kann sowohl das analytische Programm validiert als auch das Potential der ferriterregten PM-Synchronmaschine als hocheffizienter drehzahlveränderbarer Hauptantrieb herausgestellt werden. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf einen Reihenentwurf und weiteres Optimierungspotential der PM-Synchronmaschine in Ferrittechnik.
