Integrierter Elektroantrieb fiir ein modulares Pumpensystem
Final Report Abstract
Für ein modulares Pumpensystem wurden integrierte Elektroantriebe für den Einsatz als Axial- bzw. Radialpumpenantrieb untersucht. Anderes als bei den konventionellen Pumpenaggregaten, bei welchen der Antriebsmotor und die Pumpe über die Welle gekuppelt sind, wurde das Axial- bzw. Radiallaufrad in den Rotor integriert. Durch diese Integration sind die rotierenden Dichtungen nicht mehr erforderlich und der Pumpenantrieb wird kompakter und wartungsärmer. Diese Kompaktantriebe können sowohl als stand-alone-Lösung als auch als Inducer für die optimierte Strömungszuführung zu einer nachgeschalteten Pumpe eingesetzt werden. Dabei können gegenüber herkömmlichen Einwellen-Anordnungen die Drehzahl des Inducers und der nachgeschalteten Pumpe unabhängig voneinander variiert werden, wodurch ein zusätzlicher Parameter für eine Optimiemng des Pumpenbetriebs sowie des Gesamt-Wirkungsgrad gegeben ist. Gleichzeitig kann mit diesem innovativen Inducerkonzept gezielter als bisher Kavitation vermieden und die Lebensdauer des Pumpensystems erhöht werden. Für die Axialstufe wurden zwei Prototyp-Antriebe entworfen, gebaut und sowohl auf dem Prüfstand im „Trockenen" ohne Wasser als auch auf dem Pumpenprüfstand vermessen. Die Messungen haben gezeigt, dass nur der magnetisch gelagerte Prototyp-Antrieb sinnvoll für die Axialstufe einsetzbar ist. Der mechanisch gelagerte Prototyp ist durch die rotierenden Dichtungen sehr Ausfall anfällig, Allerdings ist der Wirkungsgrad mit einem kurzen Axiallaufrad des magnetisch gelagerten Prototyp-Antriebs zu klein, da die Wasserreibungsverluste, durch die Magnetlager und Sensoreinheiten bedingte große Rotorlänge, zu groß sind. Um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen ist es notwendig, dass das Verhältnis von Laufradlänge zu Rotorlänge nahe zu eins ist. Das kann durch Reihenschaltung mehreren Laufräder erreicht werden. Um den Antrieb für die Axialstufe kürzer zu gestalten, bittet sich der „lagerlose" Motor an. Bei den untersuchten „lagerlosen" Konzepten ist der Antrieb noch kompakter geworden, da die gesamt Aktivlänge (Radialmagnetiager-I-Motor) um ca. 12% kurzer wurde. Die hydraulischen Untersuchungen haben gezeigt, dass durch die Variation der Drehzahl des Axialmoduls die Kavitationsneigung der nachgeschalteten größeren Radialpumpe über einen breiten Volumenstrombereich verringert werden kann. Das analytische Auslegungsverfahren (MATLAB) wurde für die Permanentmagnet-Axialflussmaschine entworfen. Das Auslegungsverfahren wurde sowohl mit numerischen Berechnungen (FEMAG) als auch an hand eines bestehenden Axialflussmotors erfolgreich überprüft. Danach erfolgte eine Optimierung einer drehzahlveränderbaren doppeltseitigwirkenden Permanentmagnet-Axialflussmaschine für einen integrierten Antrieb einer Radialpumpenstufe mit dem analytischen Auslegungsverfahren. Zum Schluss wurde ein vollständiger Vergleich zwischen numerischer und analytischer Berechnung für den optimierten Antrieb durchgeführt.
Publications
- Design of PM integrated motor-drive system for axial pumps, 12th European Conf. on Power Electronics and Applications (EPE), 2-5 Sept. 2007, Aalborg, Denmark, CD-ROM, paper no. 383, 10 pages
Janjic, B.; Binder, A.; Bischof, V.; Ludwig, G.
- Entwurf und Bau eines magnetgelagerten integrierten Pumpenantriebs, Tagungsband der Konf. „Elektrisch-mechanische Antriebssysteme", 23.-24.9.2008, Böblingen, VDE/ETG-Fachbericht, VDE-Verlag, Offenbach, p.41-46, ISBN 978-3- 8007-3092-6
Janjic, B.; Binder, A.; Bischof, V.; Ludwig, G.
