Knopik, Thomas (2013)
Steigerung des Wirkungsgrads und der Ausnutzung von Norm-Asynchronmotoren mit Kurzschlusskäfig.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die allgemeine Energiesituation am Ende des 20. Jahrhunderts zwingt die Menschheit zum bewussteren Umgang mit der Energie. Weiterhin sorgt ein weltweites Umdenken in der Umweltpolitik zu einer Verschärfung der Energiesituation und (besonders in Deutschland) zu einem verstärkten Einsatz regenerativer Energiequellen, was u. A. den Strompreis erheblich ansteigen lässt. In diesem Zusammen-hang wird auch die Reduzierung des Energieverbrauchs elektrischer Verbraucher angestrebt und im Energiekonzept der Bundesregierung von 2010verankert. In der Antriebstechnik führt das zu immer strengeren neuen Wirkungsgradklassen (z.B. IE3 und IE4, IE5 in Diskussion), in die die Antriebe eingestuft werden. Motoren, die einen hohen Energieverbrauch haben und somit einen niedrigen Wir-kungsgrad (<IE2) besitzen, sollen stufenweise vom Markt verschwinden. Die stark angestiegenen Prei-se für Selten-Erden-Magnete sowie die im Vergleich zur Kurzschlussläufer-Asynchronmaschine (kurz: KLASM) deutlich geringere Robustheit machen den Einsatz von Permanentmagnet-Synchronmotoren (kurz: PMSM) trotz der vergleichsweise größeren Wirkungsgrade für industrielle Anwendungen unren-tabel, so dass die KLASM noch für längere Zeit der am weitesten verbreitete Motorentyp für industriel-le Antriebe bleiben wird. Zur Auslegung hocheffizienter KLASM sind äußerst präzise Berechnungsmodelle vonnöten. Die in dieser Arbeit vorgestellten Modelle zur elektromagnetischen Auslegung von KLASM berücksichtigen den Einfluss der doppelseitigen Nutung, des Fertigungsprozesses und der Eisensättigung auf das Betriebs-verhalten der Motoren. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Leistungsbilanz der Motoren in unter-schiedlichen Betriebspunkten. Die präzise Vorausberechnung der Zusatzverluste Pzus stellt dabei eine besondere Herausforderung dar und wurde dementsprechend ausführlich betrachtet. Anhand von drei vierpoligen Mastermotoren der Achshöhen 80 mm, 100 mm und 160 mm (Kenndaten 115H121H5HAnhang A: Maschinendaten) mit Bemessungsleistungen von PN = 750 W, 2200 W bzw. 9200 W wurden die Berechnungsmodelle getestet, optimiert und über Vergleichsrechnungen mit der Finite-Elemente-Methode (FLUX2D, ANSYS) und Messungen verifiziert. Dabei haben sich die in der Arbeit vorgestellten Berechnungsmodelle sowohl zur Vorausberechnung der elektromagnetischen Betriebsparameter als auch zur Berechnung der Erwärmung und der Geräuschabstrahlung nachweislich als sehr geeignet dargestellt. Die hier erzielten Ergebnisse wurden zur Verbesserung des am Institut mitentwickelten Berechnungs-programms KLASYS herangezogen. Die Modelle wurden zur Erarbeitung eines Neuentwurfs einer gesamten Motorbaureihe mit unter-schiedlichen Leistungs- und Wirkungsgradklassen bei gleicher Achshöhe von 160 mm im 50Hz- und 60Hz-Netzbetrieb verwendet. Anhand von Messungen an Prototypen wurden die Vorausberechnungen der Betriebskennlinien der Entwurfvorschläge kontrolliert, und es ergaben sich sehr gute Übereinstimmungen. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass die Realisierbarkeit eines Motorentwurfs gemäß den geforderten Vorgaben und im Rahmen der gewünschten Randbedingungen fraglich ist. Zur Reduktion der parasitären Oberwelleneffekte wie z. B. der Zusatzverluste und der Oberwellenmomente wurde eine mehrphasige Wicklung in Stern-Polygon-Mischschaltung untersucht. Durch Reihenschaltung aus einer äußeren Stern- und einer inneren Dreieckverschaltung der Spulen mit unterschiedlichen Strangwindungszahlen Ns entsteht hierbei eine Wicklung, durch die die Durchflutungsverteilung einer 6-phasigen Wicklung mit um 30°el versetzten Stromzeigern angenähert wird. Der Vergleich eines Serienmotors der Achshöhe 180 mm (AH180 mit PN = 15 kW) mit einem Prototypen PT180 gleicher Baugröße und Blechpaketdaten mit einer mehrphasigen Wicklung in Stern-Polygon-Mischschaltung, ergibt eine Steigerung des Wirkungsgrades des Motors PT180 im Vergleich zum Motor AH180 um ca. 1 % bei gleichzeitiger Reduktion der Oberwellenmomente und der Geräuschabstrahlung.

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