Es werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, um Multiphasensysteme, speziell Traktionsantriebe, im Hinblick auf unterschiedliche Aspekte zu optimieren. Im Fokus steht dabei der Intelligent Stator Cage Drive, dessen neuartiger Stator durch die individuelle Ansteuerung der einzelnen Phasen zusätzliche Freiheitsgrade in der Maschinenregelung schafft.
Zunächst wird der Antrieb als Asynchronmaschine betrachtet und die herkömmlichen Rotortopologien werden überdacht und angepasst, um die zusätzlichen Freiheitsgrade des Statortyps bestmöglich zu nutzen. Der Hybridrotor mit unterschiedlichen Polbreiten rückt daraufhin in den Fokus der Untersuchungen und es wird eine Regelung für diesen speziellen Maschinenbetrieb entwickelt und simuliert. Es werden Nutzen und Herausforderungen dieser Variante herausgearbeitet. Anschließend werden die Modellierung und Simulation des Intelligent Stator Cage Drive Konzepts überarbeitet und die Ergebnisse mit Vermessungen am Maschinenprüfstand abgeglichen.
Im zweiten Teil wird ein zweites Referenzsystem, eine PMSM, eingeführt. Damit verschiebt sich der Fokus hin zu generelleren Optimierungsmöglichkeiten in Multiphasensystemen. Die für die Maschine eigens entwickelte Multiphasenregelung wird vorgestellt. Anschließend wird eine Erweiterung der feldorientierten Regelung um eine adaptive Schaltfrequenz beschrieben. Diese wird analytisch und simulativ untersucht. Anschließend wird die Methode am Maschinenprüfstand validiert.
Im letzten Teil der Arbeit rückt die Parameteridentifikation der elektrischen Maschine in den Fokus, um den Systemwirkungsgrad weiter zu steigern und auch den dynamischen Betrieb optimal abzubilden. Es werden unterschiedliche Methoden vorgestellt und die Vielversprechendste explizit herausgearbeitet.
Aktualisiert: 2023-04-06
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In dieser Arbeit werden vier verschiedene Abstraktionsebenen (Grundlagen, Hardwarearchitektur, Konstruktion und Simulation) im Rahmen des Entwicklungsprozesses eines Traktionsumrichters im Niederspannungsbereich betrachtet. Das Ziel der Arbeit ist ein in ein Maschinengehäuse integrierter Umrichter, welcher die Anforderungen der ISCAD (Intelligent Stator Cage Drive) Technologie erfüllt. Die elektrische Maschine ist bereits konstruiert worden. Ein besonderer Fokus liegt auf einem modularen Design aus identischen Halbbrückenelementen, um die maximale elektrische Ausgangsleistung durch Variation der Phasenanzahl zu verändern.
Nach der Vorstellung heute zur Verfügung stehender Technologien leistungselektronischer Komponenten und des ISCAD Konzepts werden die Hardwarearchitektur, die Methodik und die Leiterplattendesigns näher beleuchtet. Eine ausführliche Untersuchung zeigt hierzu den Einfluss von Integrationsstufen der Halbleiterelemente auf die Realisierbarkeit und die maximale elektrische Leistungsdichte.
Ausgehend von der gegebenen Hardwarearchitektur und der Leiterplattenentwürfe illustriert der zweite Abschnitt die Aufbau- und Verbindungstechnik des Umrichters, sowie dessen Kühlung. Der Abschnitt umfasst die Darstellung der mechanischen Anordnung der Subkomponenten, wobei eine detailliertere mechanische Betrachtung (thermischer Stress, Vibrationen, Schock etc.) nicht gegeben ist.
Die dritte Abstraktionsebene beleuchtet den Umrichter aus elektrischer und thermischer Sicht auf Basis mehrerer Simulationsmodelle. Hierzu zählen insbesondere die parasitären Effekte (aufgrund des dominanten Einflusses auf die elektrische Performance), das thermische Management, sowie die Alterung der Verbindungselemente.
Aktualisiert: 2020-01-17
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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema der rotierenden konzentriert gewickelten elektrischen Antrieben, und insbesondere mit den Herausforderungen, die die asynchrone Bauart des Rotors mit sich bringt. Zu Herausforderungen zählen erhöhte Magnetisierungsströme bei einsatz von herkömmlichen Zahnwicklungen mit hohen Polpaarzahlen und niedrigen Wicklungsfaktoren (Oberwellenausführungen), zusätzliche Rotorverluste, welche infolge der starken Luftspaltharmonischen entstehen oder auch die Gefährdung der mechanischen Stabilität durch zu hohe Temperatur und Temperaturdifferenzen in bewegten Bauteilen.
In dieser Arbeit werden Methoden aufgezeigt, welche einen effizienten und sicheren Einsatz von konzentrierten Wicklungen in Asynchronmaschinen ermöglichen. Hierzu werden die Vorschriften zum Berechnen von konventionellen Wicklungen im Hinblick auf die besonderen Eigenschaften der konzentrierten Wicklungen untersucht. Die neuen modifizierten Ausdrücke werden an konkreten Beispielen angewandt. Es werden neue Wicklungstopologien vorgestellt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Wicklungsanordnung nicht zwangsweise symmetrisch sein muss. Außerdem wird eine besonders seltene konzentriert gewickelte Grundwellenmaschine untersucht.
Neben den heute in der Elektromobilität flächendeckend eingesetzten Hochvoltantrieben mit Batteriespannungen von 300V und höher, wurde im Jahr 2014 eine weitere neuartige Käfigwicklung namens ISCAD (Intelligent Stator Cage Drive) vorgestellt. ISCAD ist ein innovativer und weltweit einzigartiger Hochleistungsantrieb auf 48V Ebene und stellt zweifelsohne die kompakteste Wicklungsausführung dar.
Um die thermische Stabilität einer konzentriert gewickelten Asynchronmaschine zu gewährleisten, wird diesem Thema besondere Aufmerksamkeit geschenkt.
Aktualisiert: 2021-12-20
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