Entwurf, Aufbau und Regelung eines zweipoligen Planetenmotors

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf, dem Aufbau und der Regelung eines zweipoligen Planetenmotors. Es handelt sich dabei um ein neuartiges Antriebssystem, bei dem die elektrische Maschine und das Getriebe in einer Einheit integriert sind. Der Grundgedanke hinter dem Antriebskonzept ist der Übergang von einer konventionellen Maschinenstruktur mit nur einem Rotor auf eine Multi-Rotor-Struktur, die aus mehreren Rotoren und einem Stator besteht. Die Rotoren sind mit den Planeten eines modifizierten Planetengetriebes verbunden, welches die Teilleistungen auf eine Abtriebswelle überträgt. Der erste Teil der Arbeit fasst die nötigen Grundlagen zur mathematischen Beschreibung und Regelung von permanentmagneterregten Synchronmaschinen zusammen. Weiters wird die Struktur des Planetenmotors hergeleitet und näher erläutert. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Auslegung der elektromagnetischen Komponenten der Maschine. Auf Basis festgelegter Spezifikationen wird ein analytischer Vorentwurf durchgeführt, der mit Hilfe von FEM-Simulationen analysiert und überarbeitet wird. Im dritten Teil erfolgt die messtechnische Untersuchung des aufgebauten Prototyps. Die Maschine wird dazu an einem Frequenzumrichter betrieben und eine feldorientierte Regelung implementiert. Abschließend wird eine sensorlose Erfassung des Rotorlagewinkels, welcher zur feldorientierten Regelung der Maschine notwendig ist, im Tiefdrehzahlbereich untersucht.

This diploma thesis deals with the design, construction and control of a two-pole planetary motor. It is a novel drive system where electric motor and gear box are integrated into a single unit. The basic idea behind this drive concept is the transition of a conventional motor structure with only one rotor to a multi-rotor structure, which consists of several rotors and one stator. The rotors are connected to the planets of a modified planetary gear box to transfer the power of the rotors to the main shaft. The first part of the thesis summarizes the necessary fundamentals for the mathematical description and the control of permanent magnet synchronous motors. Furthermore, the structure of the planetary motor will be derived and explained in detail. The second part is devoted to the design of the electromagnetic components of the motor. Based on preassigned specifications an analytical preliminary draft of the motor will be done. This draft is going to be analysed and redesigned with the help of FEM simulations. The third part of the thesis presents the measurement results of the designed prototype. For this purpose, the motor is operated by an inverter and a field-oriented control is implemented. Finally, a sensorless estimation of the rotor angle, which is necessary for the field-oriented control of the motor, is investigated at low speed range.