Untersuchung von Synchron-Reluktanzmotoren in Vorschubachsen von Werkzeugmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452020124

In Werkzeugmaschinen wird heutzutage die Mehrheit aller verwendeten Vorschubantriebe und Hilfsantriebe wie Werkzeugwechsler mit hochwertigen Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) bestückt. Die Produktion von Permanentmagneten, die im Wesentlichen aus kritischen Seltenen Erden bestehen, ist derzeit sehr teuer und unökologisch. Der schwankende Marktpreis von Rohmagneten und der immer höher werdende Kostendruck im internationalen Wettbewerb führt dazu, dass die Nachfrage nach kostengünstigen und ökologisch nachhaltigen Komponenten von Werkzeugmaschinen kontinuierlich steigt. Eine viel diskutierte Alternative zu permanentmagnetbehafteten Synchronmotoren ist der geregelte Synchron-Reluktanzmotor (SynRM), welcher aufgrund der Abwesenheit von Permanentmagneten in den letzten Jahren immer attraktiver geworden ist. Durch die gezielte Optimierung der Rotorgeometrien konnten schon die bislang bekannten Nachteile wie die Drehmomentwelligkeiten und Geräuschemissionen deutlich reduziert werden, sodass kommerzielle SynRM mit zwei Prozent Drehmomentwelligkeit bereits auf dem Markt verfügbar sind. Aufgrund der robusten Bauweise und der hohen Energieeffizienz auch unter Teillast ersetzen SynRM teilweise die konventionellen Drehstrommotoren im Bereich Pumpen und Lüfter. In diesem Forschungsvorhaben wird deshalb untersucht, inwieweit die Synchron-Reluktanzmotoren als Antriebsmotoren für Vorschubachsen und Hilfsachsen in Werkzeugmaschinen eingesetzt werden können. Ziel ist unter anderem die Untersuchung des Potenzials von regelungstechnischen Maßnahmen zur Unterdrückung der Drehmomentwelligkeit und die vergleichende Analyse des dynamischen Verhaltens von Antrieben in Werkzeugmaschinen mit Reluktanzmotoren.Aufgrund der synchronen Betriebsweise lassen sich SynRM – ähnlich wie bei PMSM – mit Frequenzumrichter drehzahlgesteuert betreiben. Die simulativen Voruntersuchungen haben gezeigt, dass der Einsatz von SynRM in kostengünstigen Vorschubachsen möglich ist. In diesem Forschungsprojekt sollen verschiedene Methoden der Regelungstechnik für die Optimierung des Laufverhaltens des SynRM untersucht und weiterentwickelt werden. Die Basis dafür ist ein hinreichend genaues Motormodell zur Beschreibung der strom- und winkelabhängigen Eigenschaften, welche über diverse Verfahrprofile an einem Motorprüfstand identifiziert werden können. Im Mittelpunkt stehen die Erhöhung der Bandbreite und die Unterdrückung der Drehmomentwelligkeit. Hierbei können nichtlineare Regler und Luenberger-Beobachter verwendet werden, um das Verhalten des Lage-, Drehzahl- und Stromregelkreises zu optimieren. Zur Validierung wird ein Achsprüfstand aufgebaut, welcher mit einem Echtzeitregelungssystem ausgerüstet ist. Damit können die entwickelten Methoden erprobt werden und ermöglicht eine vergleichende Untersuchung von unterschiedlichen Motortypen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen