Modellierung der wechselrichterbedingten Zusatzverluste von Permanentmagnet-Synchronmaschinen für Traktionsantriebe

Abstract

Electric machines used in traction drives against those used in industrial drives always show a high utilization in terms of both electromagnetic as well as thermal parameters. Therefore, an accurate precalculation of the generated losses is one of the main focus with the design of such machines. In particular, special attention has to be given to the additional losses caused by the inverter feed. In permanent magnet synchronous machines, these additional losses arise mainly as iron losses in the magnetic circuit and as power losses in the stator winding as well as eddy current losses in the permanent magnets. This thesis deals with both the modelling of these additional losses and subsequently the development of a corresponding equivalent circuit for the precalculation of these additional losses in permanent magnet synchronous machines with interior magnets. Starting from the operational data of the PWM control of the inverter, such as synchronous or asychronous switching and in particular the spectrum of the output voltages, a precalculation of these additional losses will be possible. The modelling of the frequency dependent loss portions shares only those data which are known directly from the design of the permanent magnet synchronous machine. In particular, the pitching of the stator winding is included with the stator losses. On the other hand, the rotor losses are obtained by using the Poynting theorem. Finally, the results of the models and the equivalent circuit are compared to those from measurement data of an already existing permanent magnet synchronous machine with interior magnets.

Elektrische Maschinen für Traktionantriebe sind gegenüber jenen in Industrienantrieben u.a. durch hohe elektromagnetische und thermische Ausnutzungen gekennzeichnet. Dies bedeutet, dass in der Auslegungsphase eine möglichst genaue Vorausberechnung der Verluste, insbesondere jener, welche durch die Umrichterspeisung entstehen, notwendig ist. In Permanentmagnet-Synchronmaschinen entstehen diese Wechselrichter bedingten zusatzlichen Verluste hauptsächlich als einerseits Eisenverluste im magnetischen Kreis und anderseits als Stromwärmeverluste in der Statorwicklung sowie Wirbelstromverluste in den Permanentmagneten. Diese Arbeit behandelt zunächst die Modellierung dieser zusätzlichen Verluste und darausfolgend die Entwicklung eines entsprechenden Ersatzschaltbildes zur Vorausberechnung dieser zusätzlichen Verluste für Permanentmagnet-Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten. Ausgehend von den Betriebsdaten der PWM-Steuerung bzw. -Regelung des Stromrichters, wie synchroner oder asychroner Taktung und insbesondere dem Spektrum der Ausgangsspannungen, wird damit eine Vorausberechnung dieser zusätzlichen Verluste ermöglicht. Die Nachbildung der einzelnen, frequenzabhängigen Verlustanteile verwendet dabei nur jene Daten, welche direkt aus der Auslegung der Permanentmagnet- Synchronmaschine sowieso direkt bekannt sind. Im speziellen wird in den Verlustanteilen des Stators die Sehnung der Statorwicklung berücksichtigt, während die Verlustanteile des Rotors mittels des Poynting-Theorems ermittelt werden. Schliesslich werden die Ergebnisse der Modelle und des Ersatzschaltbildes mit jenen aus Messungen an einer bereits ausgeführten Permanentmagnet-Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten verglichen.