Spätestens nach der Einführung der Ökodesign-Richtlinie 2005/32/EG und deren Erneuerung durch die Richtlinie 2009/125/EG wurden neue Anforderungen an elektrische Maschinen, die innerhalb der Europäischen Union zum Einsatz kommen, gestellt.
Aufgrund von Stromwärmeverlusten im Läufer wird vor allem der weit verbreitete Käfigläufermotor in den unteren Leistungsklassen (bis ca. 3kW) große Schwierigkeiten haben, das IE4-Niveau zu erlangen. Demnach muss der Markt der Europäischen Union sich in Zukunft im Bezug auf netzstartfähige Motoren der unteren Leistungsklasse umorientieren und auf alternative Motorkonzepte setzen, die ein höheres Wirkungsgrad-Potential besitzen.
Eine mögliche alternative Motortechnologie ist der PM Line-Start Motor mit im Läufer integrierten Permanentmagneten. Prinzipiell ist dieser ein Hybridmotor, denn der Läufer besteht aus dem Anlaufkäfig eines Käfigläufermotors und den Permanentmagneten („PM“) einer PM-Synchronmaschine. Somit besitzt dieser die Möglichkeit, am starren Drehstromnetz hochzulaufen („Line-Start“) und nach dem Erreichen der synchronen Drehzahl mit Hilfe der Permanentmagnete für einen stationären Betriebspunkt einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
Entscheidend für die mögliche Anwendung eines PM Line-Start Motors für einen bestimmten Prozess ist das Hochlaufen und Halten der synchronen Drehzahl. Wenn dieses „Intrittfallen“ erfolgreich vonstatten geht, kann ein stationärer Arbeitspunkt gefahren werden.Somit wird es für den Anwender notwendig, die Intrittfallgrenze eines PM Line-Start Motors genau zu kennen, mit der die Projektierung für einen Prozess ablaufen kann.
Diese Arbeit behandelt die Berechnung und Simulation für das stationäre und transiente Betriebsverhalten von PM Line-Start Motoren.
Aktualisiert: 2020-08-27
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Permanentmagneterregte Line-Start (PM LS) Motoren stellen für Anwendungen, in denen S1-Betrieb direkt am Drehstromnetz gepaart mit einer hohen Leistungsdichte in begrenztem Bauraum gefordert ist, eine höchst energieeffiziente Alternative zu klassischen Asynchronmaschinen dar. PM LS Motoren mit im Läuferblech eingebetteten Permanentmagneten (IPM LS) zeichnen sich dabei im Vergleich zu Motoren mit am Luftspalt angeordneten Magneten durch einen geringeren Fertigungsaufwand aus und zeigen sich unempfindlicher gegenüber Entmagnetisierung in transienten Betriebssituationen.
In der vorliegenden Arbeit wird ein auf einem magnetischen Ersatznetzwerk basierendes analytisches Modell zur Beschreibung des stationären synchronen Betriebsverhaltens von IPM LS Motoren entwickelt. Die Ergebnisse der analytischen Berechnungen werden durch numerische Simulationen bestätigt. Das transiente Betriebsverhalten wird ebenfalls mittels numerischer Simulation abgebildet und durch ein analytisches Modell approximiert, welches eine Beurteilung des Hochlauf- und Intrittfallverhaltens bei im Vergleich zur Numerik deutlich geringerem Zeitaufwand ermöglicht.
Um die Ergebnisse der theoretischen Betrachtungen durch praktische Überprüfungen zu verifizieren, werden die erstellten Motormodelle zur Auslegung eines optimierten Prototypen herangezogen, der sich durch einen angemessenen Kompromiss aus hoher Energieeffizienz und robustem Intrittfallverhalten auszeichnet. Die Arbeit schließt mit dem Vergleich der am Motorprüfstand ermittelten Messergebnisse mit den Ergebnissen der analytischen Berechnungen und numerischen Simulation sowie einem kurzen Konzeptvergleich zwischen ursprünglich eingesetztem Asynchronmotor und entwickeltem Prototypen in IPM LS Technik, der das Energieeffiziensniveau IE4 erreicht.
Aktualisiert: 2019-12-12
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