Erweiterung des elektrischen Planetenmotorkonzepts mit Reluktanzrotoren

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Erweiterung des elektrischen Planetenmotorkonzepts anhand eines vorhandenen dreiphasigen, zweipoligen Prototyps. Der Planetenmotor ist ein neuartiges Antriebskonzept, bestehend aus einer Multi-Rotor-Struktur mit integriertem Getriebe. Die Integration der Rotoren in einen gemeinsamen Stator, die geschickte Verschaltung des Wicklungssystems und die Kopplung der Teilleistungen über das modifizierte Planetengetriebe, ermöglichen den Betrieb des Motors wie mit einer herkömmlichen Maschine. Eine Studie zur Erweiterung der bereits untersuchten Varianten mit (ferritmagnetunterstützten) Reluktanzrotoren soll die Kenntnis über das Verhalten des neuartigen Antriebssystems erweitern. Eine Beschreibung der Grundlagen von Reluktanzmaschinen, der Vergleich mit permanentmagneterregten Synchronmaschinen und eine Einführung in das zum Verständnis der mathematischen Modelle und Regelungskonzepte notwendige mathematische Kalkül, bilden den Beginn und die Basis dieser Arbeit. Eine Beschreibung des Planetenmotors wird in diesem Abschnitt ebenfalls durchgeführt. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem simulationsbasierten Entwurf und den elektromechanischen Berechnungen von Reluktanzrotoren mit Magneteinsatz. Eine finale Rotorgeometrie wird schlussendlich hergestellt, im Prototyp verbaut und am Prüfstand messtechnisch untersucht. Dazu wird dieser an einem Entwicklungsumrichter betrieben und eine feldorientierte Regelung implementiert. Den Abschluss der Arbeit liefert eine simulationsbasierte Analyse eines zweiphasigen Planetenmotors mit Reluktanzrotoren, um eine Basis für zukünftige Forschungsthemen an einer weiteren Maschinenstruktur zu schaffen.

This diploma thesis focuses on the development of the electrical planetary motor with (permanentmagnet assisted) reluctance rotors. The planetary motor itself is a new multi-rotor electrical drivesystem, which combines several machines via a modified planetary gear. The integration of therotors within a common stator and the clever interconnection of the coils, make it possible to operatethe machine the same way as other commonly used three-phase machine types, while combining thepower of all part-engines. An adaption of the system with permanent magnet assisted reluctancerotors should bring new knowledge about the machine behavior and maybe lead to a new planetarymotor type. In the first part of this thesis, the basics of reluctance machines, the comparison withpermanent magnet synchronous machines and the main mathematical expressions are discussed, tofurther derivate the mathematical models of the machine types and to understand the simulationand measurement results. Furthermore, a derivation of the planetary motor structure is presented.In the second part, the FEM simulation results of different rotor geometries are compared. Asa conclusion, in the third part a final rotor structure is manufactured und implemented in theprototype. Different kinds of measurements are used to verify the machine behavior. For themachine operation, a test bed inverter is used. The last part of the thesis deals with a two phasemodel of the planetary motor, which should help to get an understanding of the behavior of thespecific machine type and generate the basis for further research topics.