Theoretische und experimentelle Untersuchung einer Synchronreluktanzmaschine

Zusammenfassung

Die Synchron-Reluktanzmaschine hat in den vergangenen Jahren in der Industrie und Forschung immer stärker an Bedeutung gewonnen. Zu den theoretischen Grundlagen der Maschine ist in der Literatur gegenwärtig jedoch nur wenig zu finden. In der vor-liegenden Arbeit wurde eine M3AL 132 SME 4 der Firma ABB theoretisch und experi-mentell untersucht. Zusätzlich wurde sie mit einer Asynchronmaschine verglichen. Die theoretischen Untersuchungen wurden mittels Modellierung der Maschine via Fini-ten Elementen im 2D-Model durchgeführt. Die Messungen aller relevanten Kennlinien wurden im festgebremsten Zustand der Maschine realisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die analytischen Berechnungsmodelle schon unterhalb des Nennbetriebes an Be-deutung verlieren und nummerische Feldberechnungsmethoden notwendig werden, um das Betriebsverhalten der Synchron-Reluktanzmaschine abzubilden. Im Vergleich mit der Asynchronmaschine kann sich die Synchron-Reluktanzmaschine behaupten. Es hat sich jedoch herauskristallisiert, dass die Geometrie des Patentes US5818140 die ursprünglichen Nachteile der Maschine nicht komplett beheben kann, sodass die Synchron-Reluktanzmaschine am breiten Markt der Asynchronmaschine noch keine Konkurrenz macht.

Abstract

The synchronous reluctance machine has become increasingly important for the indus-try and in research in recent years. Currently there are just little literature about the theoreticle fundametials of this machine type. In the present work a M3AL 132 SME 4 from ABB has been investigated theoretically and experimentally. In addition, a com-parison with an asynchronous machine was carried out. The theoretical studies were performed by modeling the machine via finite elements in a 2D model. The measure-ment of all relevant characteristics were carried out in a locked-rotor condition of the machine. The result shows that the analytical calculation model loses already below the nominal conditions significance. So numeric field calculation methods must be perfor-med out to depict the characteristics of the machine. Compared with a asynchronous machine, the synchronous reluctance machine could be a rivale. However, it has shown that the geometry of the patent US5818140 can not resolve the disadvantages of the machine completely, so that the synchronous reluctance machine still does not compete with the mass market of the asynchronous machine.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung . . 1

2 Theorie der elektrischen Maschinen 3

2.1 Magnetischer Kreis und Theorie der Reluktanzkraft . . 3

2.2 Finite Elemente Analyse . . 6

2.3 Arbeitsweise Elektrischer Maschinen . . 6

2.3.1 Drehfeld . . 7

2.3.2 Asynchronmaschine . . 8

2.3.3 Synchronmaschine . . 10

2.4 Reluktanzmaschine . . 12

2.4.1 Geschaltete Reluktanzmaschine . . 13

2.4.2 Synchron-Reluktanzmaschine . . 14

3 Drehmoment und Induktivität der Synchron-Reluktanzmaschine . .17

3.1 Drehmomentbildung . . 17

3.2 Stranginduktivität . . 18

4 Simulation und Messung . . 21

4.1 Simulationsaufbau . . 22

4.1.1 Drehmomentsimulation in Abhängigkeit des Drehwinkels und

des Strangstroms . . 24

4.1.2 Induktivitätssimulation in Abhängigkeit des Drehwinkels und des Strangstroms . . 25

4.2 Messaufbau . . 26

4.2.1 Messung und Messschaltung für das Drehmoment . . 27

4.2.2 Messung und Messschaltung für die Stranginduktivität . . 28

5 Auswertung . . 31

5.1 Drehmomentauswertung . . 31

5.2 Induktivitätsauswertung . . 34

6 Vergleich der Synchron-Reluktanzmaschine mit einem IE2 Motor gleicher Leistung . . 41

7 Diskussion und Fazit . . 46

7.1 Diskussion der Mess- und Simulationsergebnisse . . 46

7.2 Fazit zu den Mess- und Simulationsergebnissen . . 47

7.3 Diskussion zur Vergleichsbetrachtung . . 48

7.4 Fazit zur Vergleichsbetrachtung . . 48

7.5 Ausblick . . 49

8 Literaturverzeichnis . . XIV

A Rotorgeometrie . . XVI

B Iterative Berechnung . . XX

C Messtabelle für Abbildung 4.7 . . XXI

D Nutmaß . . XXIII

E Drehmoment- und Induktivitätsauswertung MATLAB . . XXIV

F BH-Kurve des Blechpaketes . . XXVI

G Drehmomentberechnung via MATLAB-Code . . XXVII

H Fehlerbetrachtung . . XXIX

H.1 Simulation . . XXIX

H.2 Messung . . XXIX

H.2.1 Drehmomentmessung . . XXIX

H.2.2 Induktivitätsmessung . . XXX

I Messtabelle des Gleichstromwiderstandes . . XXXII

1 Einleitung

Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit richtet sich auf die Maschine und de-ren Betriebsparameter. Alle Betrachtungen werden am Beispiel der M3AL 132 SME 4 (beschafft aus Mitteln der Stiftung: Energie und Umwelt Leipzig), einer Synchron-Reluktanzmaschine (SRM) der Firma ABB, durchgeführt. Die Maschine ist auf einem Versuchsstand über eine Drehmomentmesswelle mit einer 5 kW Asynchronmaschine der Firma Antriebstechnik KATT Hessen GmbH gekoppelt. Es wird ein Messaufbau realisiert, mit dem die Parameter aufgenommen werden. Darüber hinaus kann der Aufbau anschließend für die Lehre (als Praktikumsversuch im Labor Elektrische Maschinen der HTWK-Leipzig) benutzt werden.

Die durch Messung und Simulation gewonnenen strom- und drehwinkelabhängigen Betriebskennlinien werden verglichen, um eine Aussage über das Betriebsverhalten der SRM in verschiedenen Lastbereichen treffen zu können. Darüber hinaus wird die SRM „M3AL 132 SME 4“ mit einer Asynchronmaschine selber Leistung verglichen, um abschätzen zu können, welches Potenzial von der SRM gegenüber der Asynchronmaschine ausgeht.

Das Prinzip der Reluktanzkraft ist seit Beginn des Elektromagnetismus bekannt. Die erste zusammenfassende Schrift stammt von André-Marie Ampère und trägt den Namen: „Thèorie des phènomènes èlectro-dynamiques, uniquement dèduite de l’ expèrience “ ,zu deutsch „Theorie der elektrodynamischen Phänomene, aus Versuchen“ und wurde 1826 veröffentlicht [5]. Der dänische Physiker Hans Christian Ørsted endeckte als Erster, dass sich eine Kompassnadel durch einen stromdurchflossenen Leiter ablenken lässt. Dies gilt als Grundstein der elektrischen Maschinen [16]. In der Welt der elektrischen Maschinen haben sich drei Systeme zur Wandlung von elektrischer beziehungsweise mechanischer Energie durchgesetzt. Die Unterteilung erfolgt in Asynchronmaschine (ASM), Gleichstrommaschine und Synchronmaschine (SM). Jedes dieser Systeme besitzt eine Vielzahl weiterer Untergliederungen in speziellere Maschinenformen. In der vorliegenden Arbeit wird eine 15 kW SRM, welche nach dem Patent US5818140 (Veröffentlichung 6. Oktober 1998) mit Flussbarrieren im Rotor ausgeführt ist, untersucht. Dieser Typ gehört zu den Synchronmaschinen. Die Literatur der historischen Entwicklung der Reluktanzmaschine weißt Widersprüche auf. So wird in einer Schrift der Hochschule Augsburg die Entdeckung der SRM Werner Siemens im Jahr 1874 zugeschrieben. Er entdeckte, dass sich der Motor nach Abschalten des Rotorkreises weiter drehte [22]. Auf der Internetseite der University of Leicester wird das erste Patent zur geschalteten Reluktanzmaschine jedoch W.H.Taylor im Jahr 1838 zugeschrieben [20]. Somit kann angenommen werden, dass das Prinzip der Reluktanzkraft das erste Mal Mitte des 1900 Jahrhunderts auf elektrische Maschinen angewandt wurde. Trotz der frühen Bekanntheit und des einfachen Aufbaus der Maschine hat sich das Prinzip lange Zeit wirtschaftlich nicht durchsetzen können. Lediglich im Bereich von Schrittmotoren ist die geschaltete Reluktanzmaschine eine gängige Alternative. Mit dem Patent US5818140 wurde das Maschinenprinzip, dank komplett veränderter Rotorgeometrie, interessant für Wirtschaft und Wissenschaft. Auf der International Conference on Electrical Maschines 2014 wurde die Reluktanzmaschine als Gegenstand der Forschung mehrfach vorgestellt. In den veröffentlichten wissenschaftlichen Publikationen der Konferenz stehen hauptsächlich analytische Berechnungen und Parameteroptimierungen der SRM im Fokus der Betrachtung [1, 15, 23]. Ab dem Jahr 2000 wurden zahlreiche Patente zu diesem Maschinentyp veröffentlicht [11]. In der Grundlagenliteratur zu elektrischen Maschinen existieren gegenwärtig nur wenig Informationen zum realen Betriebsverhalten der SRM [10]. Die Kennlinien von Drehmoment und Stranginduktivitäten werden meist aus der analytischen Betrachtung über das Ersatzschaltbild der Schenkelpolmaschine berechnet und dargestellt. Die experimentell ermittelten Kennlinien weichen davon teilweise stark ab [7].

2 Theorie der elektrischen Maschinen

Da die Reluktanzmaschine im Rotor kein magnetfeldbildendes Material enthält, ist für die grundlegenden physikalischen Vorgänge hauptsächlich der magnetische Kreis zu betrachten. Die SRM hat Eigenschaften der ASM und der SM. Die Erregung erfolgt wie bei der ASM durch den Stator. Die Maschine rotiert im stationären Betrieb jedoch synchron mit der Durchflutungsgrundwelle des Stators, während die Asynchronmaschine bei synchronem Betrieb keine Leistung bereitstellen kann.

Die Modellierung der Maschine erfolgt in der vorliegenden Arbeit mit der Software Finite Element Method Magnetics (FEMM). Die Berechnungsgrundlage der Software ist die Finite Elemente Analyse (FEA).

2.1 Magnetischer Kreis und Theorie der Reluktanzkraft

Dem magnetischen Kreis liegt die erste Maxwell-Gleichung in differentieller Form mit

[Formel ist nicht enthalten in dieser Leseprobe] (2.1.)

zugrunde. In der Modellvorstellung des magnetischen Kreises wird davon ausgegangen, dass kein Verschiebungsstrom existiert beziehungsweise ihm wird keine magnetisierende Wirkung zugesprochen, da

[Formel ist nicht enthalten in dieser Leseprobe]

im Vergleich zu

[Symbol ist nicht enthalten in dieser Leseprobe]

sehr klein ist. Somit kann die magnetische Feldstärke mit Hilfe des Stokesschen Integral-Satzes aus (2.1) dargestellt werden:

[Formel ist nicht enthalten in dieser Leseprobe] (2.2.)

Wobei die Umlauflinie L die Fläche A umschließen muss. Wird durch eine Spule in der ein Strom I fließt, ein Eisenkern mit konstantem Querschnitt nach Abbildung 2.1 eingeführt und geht man von einer konstanten Feldstärke sowie einer gleichbleibenden

[Abb. ist nicht enthalten in dieser Leseprobe]

Fläche der Windung aus, ergibt sich die Skalare Form zu:

[Formel nicht enthalten in dieser Leseprobe] (2.3)

Mit dieser Grundlage kann eine einfache Überführung von elektrischen zu magnetischen Größen erfolgen. Über die Materialbeziehung

[Formel ist nicht enthalten in dieser Leseprobe] (2.4)

und

[Formel ist nicht enthalten in dieser Leseprobe] (2.5)

kann der magnetische Fluss berechnet werden. Er stellt das Äquivalent zum elektrischen Strom dar. Das Äquivalent zum Ohmschen Widerstand stellt der magnetische Widerstand (Reluktanz) R_m dar. Er berechnet sich aus

[Formel ist nicht enthalten in dieser Leseprobe]

Die Materialeigenschaften des ferromagnetischen Materials lassen die Proportionalität zwischen den Größen der Feldstärke und der Flussdichte nur in einem bestimmten Bereich zu. Außerhalb dieses Bereiches befindet sich das Material in Sättigung. Im Sättigungsbereich erhöht sich bei steigender Feldstärke die Flussdichte kaum.

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[1] M. Degano A. Tessarolo and N. Bianchi. On the Analytical Estimation of the Airgap Field in Synchronous Reluctance Machine . ICEM 2014, 2014.

[2] M. Degano A. Tessarolo and N. Bianchi. On the Analytical Estimation of the Airgap Field in Synchronous Reluctance Machine . ieee, 2014.

[3] ABB. Herstellererklärung M3AL 132 SME 4. ABB, 2014.

[4] ABB. Motor data sheet M2BA 160 MLB 4.. ABB, 2014.

[5] André-Marie Ampère. Théorie des phénomènes électro-dynamiques, uniquement déduite de l’expérience. expert verlag, 1826.

[6] ABB Automation Products GmbH AVF. Mündliche Quell. ABB, 30.03.2015.

[7] Andreas Binder. Elektrische Maschinen und Antriebe.. Springer, 2012.

[8] Tzu-Shien Chuang. A 6/4 Pole PM-Assisted Synchronous Reluctance Motor Drive Einsatz von Synchron-Reluktanz-Antriebssystemen: Vorteile aus Anwendersicht . IEEE, 2011.

[9] Dr. Wolfgang Eichhammer Dr. Patrick Plötz. Zukunftsmarkt Effiziente Elektromotoren. Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung (ISI), 2011.

[10] Bernd Ponick Germar Müller. Grundlagen Elektrischer Maschinen . VCH, 2005.

[11] Googel. Patente.. 01.04.2015. https://www.google.com/patents.

[12] Chien-An Chen Huann-Keng Chiang. Current sensorless integral variable structure controller of synchronous reluctance motor . ieee, 2006.

[13] Dr. Sven Kellner. Reduzierung des Energieverbrauchs durch den Einsatz von Synchron- Reluktanz-Antriebssystemen: Vorteile aus Anwendersicht . SIMENS, 2015.

[14] Kienle+Spiess. Stator-Nutschnitte.. Kienle+Spiess, 1996.

[23] R. Ibtiouen S. Tahi and S. Mekhtoub. Performance Optimization of Synchronous Reluctance Machines with Two Rotor Structures . ICEM 2014, 2014.

[24] Wolfgang Schätzing. FEM für Praktiker Band 4: Elektrotechnik 3. Auflage. expert verlag, 2014.

[25] Károly Simonyi. THEORETISCHE ELEKTROTECHNIK. VDE Deutscher Verlag der Wissenschaft, 1989.

[26] Eckhard Spring. Elektrische Maschinen Eine Einführung. Springer, 2009.

[27] Hans-Dieter Stölting. Handbuch Elektrische Kleinantriebe. HANSER, 2011.

[28] Seyedmorteza Taghavi. A Core Analysis of the Synchronous Reluctance Motor for Automotive Applications . ICEM 2014, 2014.