Entwurf und Untersuchung einer Permanenentmagnet unterstützten Synchron-Reluktanzmaschine

Abstract

Synchronmaschinen mit Seltenerdmagneten zählen zu den effizientesten Typen der Drehstrommotoren zum heutigen Stand der Technik. Sie werden in Fahrzeugen und Maschinen mit Hochleistungsantrieben eingesetzt. Der große Nachteil dieser Bauart liegt in der aufwendigen Gewinnung und den damit verbundenen Kosten der Seltenerdmagnete. Eine Möglichkeit Seltenerdmagnete zu substituieren, besteht darin, wesentlich billigere Ferritmagnete für die Magnetisierung des Rotors zu verwenden. Im Zuge der vorliegenden Diplomarbeit werden die technischen Aspekte dieser Ferrite auf verschiedene Rotorbauformen untersucht. Für einen kostengünstigen Aufbau des Prototypen wurde auf aufwendige Geometrien der Rotoren bzw. Ferritmagnete, welche in der Fertigung zu hohen Kosten führen würden, verzichtet. Durch ein mathematisches Modell, Zeigerdiagramme und eine transiente 2D-Analyse können die Auswirkungen der Permanentmagnete auf die Eigenschaften der Maschine gezeigt werden. Mögliche Rotorbauformen werden mit Hilfe des Finiten Elemente Programms ANSYS Maxwell entworfen und simuliert. Dadurch können Drehmoment-, Spannungsverläufe und weitere technische Kenngrößen der Maschine berechnet werden. Nach Ermittelung der optimalen Auslegung des Rotors, wird dieser gefertigt und anschließend der Drehmoment-, Leistung- und Spannungsverlauf der vollständig assemblierten Maschine vermessen. Abschließend werden die Daten der Simulation und Messung miteinander verglichen.

Synchronous machines with rare earth magnets are among the most efficient types of AC motors at the current state of the art. They are used in vehicles and machines with high-performance drives. The most significant drawback of this construction type is the complex extraction and the associated costs of the rare earth magnets. One way to replace rare earth magnets is to use much cheaper ferrite magnets for the rotors magnetization. In the course of this thesis the technical aspects of these ferrites are investigated for different rotor topologies. To avoid high costs during the manufacturing process of the prototype, complex geometries of the rotors and ferrite magnets were dispensed with. The effects of the permanent magnets on the machine can be shown with a mathematical model, phasor diagrams and a transient 2D analysis. Possible rotor types are designed and simulated with the finite element program ANSYS Maxwell. As a result torque, voltage profiles and other technical parameters of the machine can be calculated. After determining the optimal topology of the rotor, it is manufactured. Afterwards the torque, power and voltage characteristics of the fully assembled machine are measured. Finally, the simulation and measurement data are compared.