Methods for the complementary design of the machine and the control in electric drive systems
Final Report Abstract
Elektrische Antriebe bestehen heutzutage, zusätzlich zu der elektrischen Maschine, aus einem leistungselektronischen Stellglied und einem Regelungssystem. Diese Bestandteile ermöglichen die Regelung von Bewegungsabläufen und der Energiewandlung sowie die Integration in höheren Regelungsebenen. Der Entwurf von elektrischen Maschinen wird in der Regel ungeachtet von den Fähigkeiten des Regelungssystems durchgeführt. Daher wird beim Entwurf der Maschine zusätzlich zu einem hohen Wirkungsgrad und Leistungsdichte, auch ein sinusförmiger Verlauf der induzierten Spannung sowie eine niedrige Drehmomentwelligkeit erzielt. Lässt man jedoch die Form der induzierten Spannung oder die Höhe der Welligkeit frei, können höhere Leistungsdichten erreicht werden oder ein einfacherer Antrieb entwickelt werden. Diese zusätzlichen Freiheiten im Entwurf der Maschine wurden in diesem Vorhaben untersucht. Dazu entsprechend wurden die erforderlichen Regelverfahren entwickelt. Dieses ermöglicht der nicht sinusförmig induzierten Spannung einen glatten Drehmoment zu bilden. Es wurde herausgefunden, dass ein Antrieb mit einer gezielt für eine günstige Herstellung ausgelegten Maschine, welche in Verbindung mit einem geeigneten Regelungssystem ausgestattet wurde, eine vergleichbare Regelgüte erreichen kann, wie eine herkömmlichen Maschine. Ein weiterer Aspekt zur Vereinfachung und zur Kostenreduzierung des Antriebssystems ist die Reduzierung der erforderlichen Sensoren für die Regelung. Dafür wurden in der Vergangenheit von unterschiedlichen Gruppen umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für die geberlose Regelung betrieben. Diese ermöglicht die Regelung von elektrischen Maschinen, ohne den üblich erforderlichen und aufwendigen Lagegeber zur Erfassung des Rotorwinkels. Hierbei erfassen die geberlosen Verfahren den Rotorwinkel indirekt über elektrische Größen, die ohnehin für die Regelung gemessen werden. Die meisten der bisher entwickelten geberlosen Verfahren gehen davon aus, dass die Maschine eine sinusförmige Anisotropie, d.h. lageabhängige Induktivität, aufweist. Allerdings besitzen die im gegenwärtigen Vorhaben betrachtete Maschinen einen nicht sinusförmigen Verlauf der Anisotropie. Um hierfür trotzdem geberlose Verfahren anwenden zu können, wurden zwei Ansätze verfolgt: erstens die Sinusförmigkeit der Anisotropie als Optimierungsziel in der Auslegung mitzuführen und zweitens eine Auswertungsmethode, um aus nicht sinusförmigen Anisotropien den Winkel genauer berechnen zu können. In beiden Fällen fiel die Winkelschätzung genau gleich aus. Dafür ergab die Maschine, die auf sinusförmige Anisotropien optimiert wurde, allerdings um 5% verringertes Drehmoment. Diese Ergebnisse könnten, besonders bei hohen Produktionsstückzahlen, die Auslegungs- und Entwicklungsparadigmen der kostensensitiver Antriebe, wie sie beispielsweise bei Elektrofahrzeugen vorkommen, positiv beeinflussen.
Publications
- "Compensation of Production and Principle Related Torque Fluctuations of Transverse Flux Machines," in Proceedings of the 10th ETG/GMM- Symposium Innovative small Drives and Micro-Motor Systems (IKMT), Cologne, Germany, 2015, pp. 1-5
S. Hieke, M. Stamann and R. Leidhold
- "Maximisation of back EMF in a high performance PMSM machine with concentrated windings," in Proceedings of the 2016 IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), Varna, 2016, pp. 594-598
N. Förster, R. Leidhold and S. Palis
(See online at https://doi.org/10.1109/EPEPEMC.2016.7752062) - "Ripple Torque Minimization in Six-Phase PM Generators with Arbitrary EMF Waveform," in IEEE Latin America Transactions, vol. 14, no. 9, pp. 3999-4005, Sept. 2016
G. Catuogno, G. Garcia and R. Leidhold
(See online at https://doi.org/10.1109/TLA.2016.7785925) - „Design of a linear actuator for railway turnouts“ in proceedingds of the 44th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON). Washington DC, USA, Oct. 21-23, 2018
Niklas Förster, Roberto Leidhold, Sergey Buryakovsky, Artem Masliy, Borys Lyubarskiy, Andreas Gerlach
(See online at https://doi.org/10.1109/IECON.2018.8591471) - „Improved Angle Estimation for PM Synchronous Machines with non Sinusoidal Saliency“ in proceedingds of the 44th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON). Washington DC, USA, Oct. 21-23, 2018
Niklas Förster, Andreas Gerlach, Roberto Leidhold
(See online at https://doi.org/10.1109/IECON.2018.8591717)
