Identification of the technical potential of permanent magnet Flux-Switching-Machines compared to rotor-excited PM synchronous machines
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts werden drei unterschiedliche Maschinentypen mit Permanentmagneten im Stator für den Einsatz als Industrieantrieb (PN = 45 kW, nN = 1000 /min, MN = 430 Nm) untersucht: Doubly-Salient-Maschine (DSM) mit den Magneten im Statorjoch - Flux-Reversal-Maschine (FRM) mit den Magneten an den Statorzähnen - Flux-Switching-Maschine (FSM) mit den Magneten in den Statorzähnen. Die elektromagnetische Auslegung der Maschinen erfolgt mit Hilfe parametrischer, zwei-dimensionaler, nichtlinearer Finite-Elemente-Methode (FEM) Modellen mit der Software JMAG Designer. Die ausgelegten Maschinen werden bezüglich ihrer Drehmomentdichte verglichen, wobei die Drehzahl n und die thermische Ausnutzung A∙J für die Maschinen gleich sind (n = 1000 /min, A∙J ≈ 3910 A/cm ∙ A/mm²). Der Vergleich zeigt, dass die Flux- Switching-Maschine das höchste Luftspaltdrehmoment (Mδ = 436 Nm) der drei Maschinentypen erzeugt. Im weiteren Verlauf des Projekts wird daher ein ganzheitlicher Entwurf einer Flux-Switching-Maschine durchgeführt. Dabei wird ein besonderer Fokus auf die konstruktive Gestaltung des Stators und der Magneterregung der FSM gelegt. Mit Hilfe dieser grundsätzlichen Untersuchungen wird anschließend eine FSM als Industrieantrieb (PN = 45 kW, nN = 1000 /min, MN = 430 Nm) ausgelegt. Die Außenabmessungen und die Bemessungsdaten werden von einer bereits gefertigten permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) mit NdFeB-Magneten auf der Rotoroberfläche übernommen, um einen aussagekräftigen Vergleich der beiden Maschinen zu ermöglichen. Der Entwurf der FSM umfasst die elektromagnetische Auslegung inklusive einer Parametervariation, die thermische Auslegung sowie eine komplette konstruktive Gestaltung der Maschine. Nach der Fertigstellung dieses Prototypmotors werden dieser und die Vergleichs-PMSM auf einem Prüfstand am Institut für Elektrische Energiewandlung vermessen. Dabei werden u. a. thermische Messungen sowie Lastmessungen (z. B. BP 1: M = 430 Nm, n = 1000 /min, BP 2: M = 143 Nm, n = 3000 /min) durchgeführt. Zusätzlich erfolgt eine Vermessung der Geräuschentwicklung beider Maschinen bei der Firma Siemens. Eine Gegenüberstellung die Vor- und Nachteile der jeweiligen Maschine zeigt, dass die FSM Vorteile im Betrieb (Wirkungsgrad im Grunddrehzahlbereich) und bei der Fertigung (robuster Rotor, offene Statornuten, usw.) aufweist. Demgegenüber stehen jedoch die Nachteile eines schlechten Leistungsfaktors im Grunddrehzahlbereich und der enormen Geräuschentwicklung, sodass eine Flux-Switching-Maschine nur in Anwendungen mit hohen Rotoranforderungen bezüglich Temperatur und Drehzahl einer PMSM zu bevorzugen ist.
Publications
- „Design and Construction of a permanent magnet excited Flux-Switching-Machine”, Proceedings of the International Electric Drive Production Conference (EDPC), Nürnberg, Deutschland, 2016, Seiten 112-117
M. Lehr, A. Binder, E. Ohl
(See online at https://doi.org/10.1109/EDPC.2016.7851322) - „Design and measurements of a permanent magnet Flux-Switching-Machine for industrial applications”, e&i Elektrotechnik und Informationstechnik, Band 134, Nr. 2, Seiten 177-184, 2017
M. Lehr, A. Binder
(See online at https://doi.org/10.1007/s00502-017-0492-4) - “Comparison of different synchronous machines with stator-side permanent magnets for industrial drive application”, Proceedings of the International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD), Liverpool, England, 2018
M. Lehr, A. Binder
(See online at https://doi.org/10.1049/joe.2018.8117)
