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 vorliegenden Arbeit wurde eine M3AL~132~SME~4 der Firma ABB theoretisch und experimentell untersucht. Zusätzlich wurde sie mit einer Asynchronmaschine verglichen.
Die theoretischen Untersuchungen wurden mittels Modellierung der Maschine via Finiten 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 Bedeutung 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.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theorie der elektrischen Maschinen
2.1 Magnetischer Kreis und Theorie der Reluktanzkraft
2.2 Finite Elemente Analyse
2.3 Arbeitsweise Elektrischer Maschinen
2.3.1 Drehfeld
2.3.2 Asynchronmaschine
2.3.3 Synchronmaschine
2.4 Reluktanzmaschine
2.4.1 Geschaltete Reluktanzmaschine
2.4.2 Synchron-Reluktanzmaschine
3 Drehmoment und Induktivität der Synchron-Reluktanzmaschine
3.1 Drehmomentbildung
3.2 Stranginduktivität
4 Simulation und Messung
4.1 Simulationsaufbau
4.1.1 Drehmomentsimulation in Abhängigkeit des Drehwinkels und des Strangstroms
4.1.2 Induktivitätssimulation in Abhängigkeit des Drehwinkels und des Strangstroms
4.2 Messaufbau
4.2.1 Messung und Messschaltung für das Drehmoment
4.2.2 Messung und Messschaltung für die Stranginduktivität
5 Auswertung
5.1 Drehmomentauswertung
5.2 Induktivitätsauswertung
6 Vergleich der Synchron-Reluktanzmaschine mit einem IE2 Motor gleicher Leistung
7 Diskussion und Fazit
7.1 Diskussion der Mess- und Simulationsergebnisse
7.2 Fazit zu den Mess- und Simulationsergebnissen
7.3 Diskussion zur Vergleichsbetrachtung
7.4 Fazit zur Vergleichsbetrachtung
7.5 Ausblick
8 Literaturverzeichnis
A Rotorgeometrie
B Iterative Berechnung
C Messtabelle für Abbildung 4.7
D Nutmaß
E Drehmoment- und Induktivitätsauswertung MATLAB
F BH-Kurve des Blechpaketes
G Drehmomentberechnung via MATLAB-Code
H Fehlerbetrachtung
H.1 Simulation
H.2 Messung
H.2.1 Drehmomentmessung
H.2.2 Induktivitätsmessung
I Messtabelle des Gleichstromwiderstandes
Zielsetzung & Themen der Arbeit
Die vorliegende Arbeit untersucht das Betriebsverhalten einer Synchron-Reluktanzmaschine (SRM) vom Typ M3AL 132 SME 4 der Firma ABB. Ziel ist es, durch theoretische Modellierung mittels Finite Elemente Analyse (FEA) sowie experimentelle Messungen am Versuchsstand die strom- und drehwinkelabhängigen Betriebskennlinien zu bestimmen und mit denen einer Asynchronmaschine gleicher Leistung zu vergleichen, um deren technisches Potenzial und Marktfähigkeit zu bewerten.
- Theoretische Grundlagen und Funktionsweise der Synchron-Reluktanzmaschine
- Numerische Simulation der Drehmomentbildung und Stranginduktivität mittels FEMM
- Experimentelle Validierung durch Messaufbauten am Versuchsstand
- Vergleichsanalyse der SRM gegenüber konventionellen Asynchronmaschinen (IE2)
- Diskussion der Auswirkungen von Sättigungseffekten und Geometrieeinflüssen auf das Betriebsverhalten
Auszug aus dem Buch
2.4 Reluktanzmaschine
Es gibt zwei verschiedene Arten von Reluktanzmaschinen: geschaltete Reluktanzmaschinen und Synchron-Reluktanzmaschinen. Die geschaltete Reluktanzmaschine findet häufig als Schritt- und die SRM als Pumpen und Lüftermotor Verwendung. Die SRM eignet sich gut für wenig schwankende Lastmomente.
Das Hauptmerkmal beider Maschinen ist der fehlende Magnetfelderzeuger im Rotor. Ähnlich wie in Abbildung 2.3 dargestellt, besteht der Rotor aus ferromagnetischem Material, zum Beispiel Dynamoblech. Der in Unterabschnitt 2.3.1 erwähnte magnetische Querdruck oder auch Maxwell-Zug ist für die Drehmomentbildung verantwortlich. Für die Ausrichtung des Rotor in Richtung des Vektorfeldes der Feldstärke, ist ein kleiner Luftspalt von Vorteil. Grundsätzlich ist für eine Drehmomentbildung eine möglichst große Reluktanzdifferenz von der d- zur q- Achse notwendig. Diese Differenz wird entweder durch einen variierenden Luftspalt (Abbildung 2.3) oder durch Flussbarrieren im Rotor (Abbildung 2.9) erzeugt [7].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beschreibt das Hauptaugenmerk auf die Untersuchung der Synchron-Reluktanzmaschine (SRM) M3AL 132 SME 4 und stellt den Versuchsaufbau sowie die methodische Herangehensweise vor.
2 Theorie der elektrischen Maschinen: Dieses Kapitel erläutert die theoretischen Grundlagen der Reluktanzkraft, die Finite Elemente Analyse (FEA) und die Funktionsweise von Asynchron- sowie Synchronmaschinen.
3 Drehmoment und Induktivität der Synchron-Reluktanzmaschine: Hier werden die analytischen Ansätze zur Drehmomentbildung und die Berechnung der Stranginduktivität für die SRM detailliert betrachtet.
4 Simulation und Messung: Dieses Kapitel beschreibt den praktischen Simulationsaufbau in FEMM sowie den experimentellen Versuchsstand zur Messung von Drehmoment und Induktivität.
5 Auswertung: Hier erfolgt die Auswertung und Diskussion der gewonnenen Daten aus Simulation und Messung unter Berücksichtigung von Sättigungseffekten und Geometrieeinflüssen.
6 Vergleich der Synchron-Reluktanzmaschine mit einem IE2 Motor gleicher Leistung: In diesem Kapitel werden die SRM und ein vergleichbarer Asynchronmotor gegenübergestellt, um Potenzial und Nachteile zu identifizieren.
7 Diskussion und Fazit: Die Arbeit schließt mit einer zusammenfassenden Bewertung der Ergebnisse, einer Diskussion der Vergleichsbetrachtung und einem Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.
Schlüsselwörter
Synchron-Reluktanzmaschine, SRM, Asynchronmaschine, ASM, Drehmoment, Stranginduktivität, Finite Elemente Analyse, FEA, FEMM, magnetischer Kreis, Reluktanzkraft, Rotorgeometrie, Flussbarrieren, Teillastwirkungsgrad, Drehmomentwelligkeit
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht theoretisch und experimentell das Betriebsverhalten einer Synchron-Reluktanzmaschine (SRM) der Firma ABB und vergleicht diese mit einer Asynchronmaschine gleicher Leistung.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die Drehmomentcharakteristik, die Stranginduktivität, den Einfluss der Rotorgeometrie sowie die Sättigungseffekte im magnetischen Kreis der Maschine.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Erstellung einer fundierten Datengrundlage zur SRM und die Bewertung, ob diese als industrieller Standard-Antrieb gegenüber der Asynchronmaschine konkurrenzfähig ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden numerische Feldberechnungsmethoden (Finite Elemente Analyse) mittels der Software FEMM genutzt und durch direkte Messungen am Versuchsstand validiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden die theoretischen Grundlagen, die Simulations- und Messaufbauten sowie die detaillierte Auswertung der Drehmoment- und Induktivitätsdaten beschrieben.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Synchron-Reluktanzmaschine, Finite Elemente Analyse, Drehmomentwelligkeit und Teillastwirkungsgrad charakterisieren.
Warum wird das Modell in COMSOL gegengerechnet?
Das COMSOL-Modell dient dazu, eventuelle Abweichungen in den Berechnungsergebnissen zu identifizieren, die aus unterschiedlichen Vernetzungsalgorithmen oder Einstellungen der Simulationssoftware FEMM resultieren könnten.
Welche Rolle spielt der "Steg" im Rotor?
Der Steg dient der mechanischen Stabilisierung, führt jedoch aus magnetischer Sicht zu einer unerwünschten Erhöhung der Stranginduktivität in der q-Achse, was die Drehmomentbildung nachteilig beeinflussen kann.
- Citar trabajo
- Andreas Dietrich (Autor), 2015, Theoretische und experimentelle Untersuchung einer Synchronreluktanzmaschine, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/353088
