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Auslegung und Bewertung elektrischer Maschinen mit Permanentmagneten im Stator für hohe Drehmomentdichten

Lehr, Marcel (2020):
Auslegung und Bewertung elektrischer Maschinen mit Permanentmagneten im Stator für hohe Drehmomentdichten.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, DOI: 10.25534/tuprints-00011751,
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/11751],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit elektrischen Maschinen mit Permanentmagneten im Stator und einer hohen volumetrischen Drehmomentdichten. In den letzten Jahren standen vor allem drei unterschiedliche Maschinentypen mit Permanentmagneten im Stator im Fokus der Forschung: • Doubly-Salient-Permanent-Magnet-Machine (DSM) mit Magneten im Statorjoch • Flux-Reversal-Permanent-Magnet-Machine (FRM) mit Magneten an den Statorzähnen • Flux-Switching-Permanent-Magnet-Machine (FSM) mit Magneten in den Statorzähnen Ein Vergleich dieser Maschinen für den Einsatz als hochausgenutzter Industrieantrieb (PN = 45 kW, nN = 1000 /min, MN = 430 Nm) zeigt, dass die Flux-Switching-Machine bei identischem Bauraum das höchste Luftspaltdrehmoment der drei Maschinentypen erzeugt. Um das Potential der Flux-Switching-Machine in verschiedenen Einsatzgebieten abschätzen zu können, werden mit Hilfe hergeleiteter Auslegungskriterien Maschinen für den Einsatz als Industrieantrieb, als Fahrzeugantrieb und als Windgenerator ausgelegt und mit konventionellen Maschinen mit Rotormagneten verglichen. Dieser Vergleich legt einen Einsatz der Flux-Switching-Machine speziell im Bereich kleiner und mittlerer Drehzahlen (< 3000 /min), kleiner und mittlerer Drehmomente (< 500 Nm) und damit kleiner und mittlerer Leistungen (< 50 kW) nahe. Zur Verifizierung der theoretischen Ergebnisse wird in dieser Arbeit ein ganzheitlicher Entwurf einer Flux-Switching-Machine (PN = 50 kW, nN = 1000 /min, MN = 470 Nm) inklusive Konstruktion, Fertigung und Vermessung durchgeführt. Die Messergebnisse werden anschließend mit den Werten baugleicher permanenterregter Synchronmaschinen mit Rotormagneten verglichen. Die Gegenüberstellung zeigt, dass die FSM im Betrieb einen hohen Wirkungsgrad im Teillastbereich aufweist und bei der Fertigung Vorteile durch die gröber segmentierten Statormagnete, den robusten Rotor und die offenen Statornuten besitzt. Demgegenüber stehen jedoch die Nachteile der hohen Geräuschentwicklung, eines schlechten Leistungsfaktors, hoher Ummagnetisierungsverluste und einer geringeren Drehmomentausbeute im Vergleich zu konventionellen PM-Maschinen mit Rotormagneten. Daher ist die Flux-Switching-Machine im Bereich von Maschinen mit hoher Drehmomentdichte nur in Anwendungen mit hohen Rotoranforderungen bezüglich Temperatur und Drehzahl einer Maschine mit Rotormagneten zu bevorzugen.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2020
Creators: Lehr, Marcel
Title: Auslegung und Bewertung elektrischer Maschinen mit Permanentmagneten im Stator für hohe Drehmomentdichten
Language: German
Abstract:

Diese Arbeit beschäftigt sich mit elektrischen Maschinen mit Permanentmagneten im Stator und einer hohen volumetrischen Drehmomentdichten. In den letzten Jahren standen vor allem drei unterschiedliche Maschinentypen mit Permanentmagneten im Stator im Fokus der Forschung: • Doubly-Salient-Permanent-Magnet-Machine (DSM) mit Magneten im Statorjoch • Flux-Reversal-Permanent-Magnet-Machine (FRM) mit Magneten an den Statorzähnen • Flux-Switching-Permanent-Magnet-Machine (FSM) mit Magneten in den Statorzähnen Ein Vergleich dieser Maschinen für den Einsatz als hochausgenutzter Industrieantrieb (PN = 45 kW, nN = 1000 /min, MN = 430 Nm) zeigt, dass die Flux-Switching-Machine bei identischem Bauraum das höchste Luftspaltdrehmoment der drei Maschinentypen erzeugt. Um das Potential der Flux-Switching-Machine in verschiedenen Einsatzgebieten abschätzen zu können, werden mit Hilfe hergeleiteter Auslegungskriterien Maschinen für den Einsatz als Industrieantrieb, als Fahrzeugantrieb und als Windgenerator ausgelegt und mit konventionellen Maschinen mit Rotormagneten verglichen. Dieser Vergleich legt einen Einsatz der Flux-Switching-Machine speziell im Bereich kleiner und mittlerer Drehzahlen (< 3000 /min), kleiner und mittlerer Drehmomente (< 500 Nm) und damit kleiner und mittlerer Leistungen (< 50 kW) nahe. Zur Verifizierung der theoretischen Ergebnisse wird in dieser Arbeit ein ganzheitlicher Entwurf einer Flux-Switching-Machine (PN = 50 kW, nN = 1000 /min, MN = 470 Nm) inklusive Konstruktion, Fertigung und Vermessung durchgeführt. Die Messergebnisse werden anschließend mit den Werten baugleicher permanenterregter Synchronmaschinen mit Rotormagneten verglichen. Die Gegenüberstellung zeigt, dass die FSM im Betrieb einen hohen Wirkungsgrad im Teillastbereich aufweist und bei der Fertigung Vorteile durch die gröber segmentierten Statormagnete, den robusten Rotor und die offenen Statornuten besitzt. Demgegenüber stehen jedoch die Nachteile der hohen Geräuschentwicklung, eines schlechten Leistungsfaktors, hoher Ummagnetisierungsverluste und einer geringeren Drehmomentausbeute im Vergleich zu konventionellen PM-Maschinen mit Rotormagneten. Daher ist die Flux-Switching-Machine im Bereich von Maschinen mit hoher Drehmomentdichte nur in Anwendungen mit hohen Rotoranforderungen bezüglich Temperatur und Drehzahl einer Maschine mit Rotormagneten zu bevorzugen.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Energy Conversion > Electrical Energy Conversion
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Energy Conversion
Date Deposited: 02 Jun 2020 08:58
DOI: 10.25534/tuprints-00011751
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/11751
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-117516
Referees: Binder, Prof. Dr. Andreas
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 26 February 2020
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
This thesis deals with electric machines with permanent magnets in the stator and high torque densities. In recent years, three different types of machines with permanent magnets in the stator have been in the focus of research: • Doubly-Salient-Permanent-Magnet-Machine (DSM) with magnets in the stator yoke • Flux-Reversal-Permanent-Magnet-Machine (FRM) with magnets at the stator teeth • Flux-Switching-Permanent-Magnet-Machine (FSM) with magnets in the stator teeth A comparison of these machines for use as a highly utilized industrial drive (PN = 45 kW, nN = 1000 /min, MN = 430 Nm) shows that the Flux-Switching-Machine generates the highest electromagnetic torque of the three machine types with identical available space. In order to estimate the potential of the Flux-Switching-Machine in various fields of application, machines are designed for the use as industrial drive, vehicle drive and wind generator with the help of derived design criteria and compared with conventional machines with rotor magnets. This comparison suggests the use of the Flux-Switching-Machine especially in the range of low and medium speed (< 3000 /min), low and medium torque (< 500 Nm) and therefore low and medium output power (< 50 kW). To verify the theoretical results, a holistic design of a Flux-Switching-Machine (PN = 50 kW, nN = 1000 /min, MN = 470 Nm) including design, production and measurement is carried out. The measurement results are then compared with the values of permanent magnet synchronous machines with rotor magnets. The comparison shows that the FSM has a high efficiency in the partial load and has advantages during production due to the coarser segmented stator magnets, the robust rotor and the open stator slots. In contrast, however, there are the disadvantages of the high noise, a poor power factor, high iron losses and a lower torque output compared to conventional PM-machines with rotor magnets. Therefore, in the field of high torque density machines, the Flux-Switching-Machine is preferable in applications with high rotor requirements in terms of temperature and speed compared to a machine with rotor magnets.English
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