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J. Hoffmann W.-R. Canders M. Henke Februar 2017
Design von elektrischen Hochdrehzahlantrieben für
Anwendungen im Fahrzeug-Antriebsstrang
Institut für Elektrische Maschinen,
Antriebe und Bahnen
TU Braunschweig
Institut für Elektrische Maschinen,
Antriebe und Bahnen
TU Braunschweig
Ayrton & Perry 1882 1,5 kWh 0,37 kW 40 km 14 km/h
Februar 2017 | J.Hoffmann | High Speed Maschinen
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- Kompakter Motor
- hohe Übersetzung
- Wenig
Drehmoment
- Kleines
Bauvolumen
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Antriebe und Bahnen
TU Braunschweig
Warum High Speed Motoren ?
• Geringes Gewicht
• Kleine Abmessungen
• Gute Integrierbarkeit in ein Fahrzeug
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Institut für Elektrische Maschinen,
Antriebe und Bahnen
TU Braunschweig
Anwendungen in der Industrie
Turbo-
maschinen
8 MW
10000 rpm
vu = 220 m/s
lE = 1m
D = 420 mm
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Source: Alstom
Institut für Elektrische Maschinen,
Antriebe und Bahnen
TU Braunschweig
Definition
Hochtourige Maschinen sind gekennzeichnet durch hohe Umfangsge-
schwindigkeiten, im allgemeinen
Damit dominieren Rotorfestigkeit und Rotordynamik den Entwurf
maßgeblich. Die Umfangsgeschwindigkeit ist für die Rotorfestigkeit der
charakteristische Parameter.
Typische erreichbare Rotorumfangsgeschwindigkeiten
Mai 2014 | J.Hoffmann | High Speed Maschinen
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smrvu /120....100
ASM
Al-Käfig
Schenkel-
pol SM
Vollpol
SM **
PMSM vergr.
Magnete
PMSM oberfl.
Magnete+Bandage
200..220
m/s
90..100
m/s
200 m/s 75..80 m/s
120 m/s *
280 m/s
* Zeitfeste Auslegung, wie z.B. im Automotive-Bereich
** Massivrotor
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Umfangsgeschwindigkeit und mech. Spannungen
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Drehzahl -
Umfangsgeschwindigkeit
Spannung in Scheibe
σ = Ω2 ∙ 𝑟2 ∙ 𝜌 ∙ 𝐾
𝐾 =3 + 𝜈
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D = 12756 km
vu = Ω ∙ r = 464 m/s
σE = 488 N/mm2
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Hauptaufgaben bei der Entwicklung hochtouriger Maschinen
Magnetkreisauslegung
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Kühlung/ hohe Verlustdichte
Lagerung
Verlustarmer Statorentwurf
Mechanische Auslegung
Thermische Auslegung
Rotordesign
Festigkeit
Rotordynamik
Speisung der Maschine
Rotorverluste
Oberschwingungsarmer
Wechselrichter
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Elektrische Verluste in E-Maschinen
Elektrische Verluste in E-Maschinen sind hauptsächlich ohmsche
Verluste und Wirbelstromverluste
Diese treten in sämtlichen leitfähigen Bauteilen der Maschinen auf
Die Wirbelstromverluste resultieren aus der Speisung und den
resultierenden Wellen in der Maschine
Man erhält ein zeitlich und räumlich umlaufendes Wellenspektrum
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Stromdichteverteilung in den Magneten (pro Pol) , analytisch
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nx=2, nz = 1 nx=2, nz = 5
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Wirbelstromverluste
Verlustreduktion
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Einfluss der Unterteilung in x- und z-Richtung auf die Verluste
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Rm=0,21,
/hm=0,25Rm=8,4
/hm=0,25
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Festigkeit:
Bsp.-Rotor einer Oberflächenmagnet PMSM mit CFK Bandage
- Umfangs-
geschwindigkeit
ca. 180 m/s
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Vorgespannte
Bandage
Magnete
Rotorjoch,
geblecht
vu
Ω
lE
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Rotorfestigkeit – Beispiel Oberfl. PMSM mit Bandage
Bedingung: Bei max. Drehzahl kein Abheben der Magnete
oder des Blechpaketes von der Welle → Unwucht usw.
Bemessung der Rotorbandage als mehrschichtiger
Pressverband mit i. allg. anisotropen Materialeigenschaften
Übliche Prüfdrehzahl nach EN 60034:
Bestimmung der zulässigen Beanspruchungen
entsprechend vorgesehener Lastspielzahl (Wöhlerkurven,
Smith-Diagramme)
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max2,1 nnT
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Beispiel: 3-Schicht Pressverband im Schnitt
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r
r1,3
rw,2
Blechpaket
Magnetschicht
Bandage
ra
0 2213 rrurru wsSchrumpfmaße
Vorspannung durch
Schrumpfmaß us
Geklebte Verbindung,
Schrumpfmaß u2 =0
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Polar-orthotropes Werkstoffmodell
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Hookescher
Tensor,
(Nachgiebigkeits-
matrix S)
r
z
rz
zr
zrz
z
rz
r
r
z
z
r
r
G
G
G
EEE
EEE
EEE
S
1
1
1
1
1
1
S
r
z
rz
z
r
r
z
rz
z
r
z
r
Anwendbar auf unidirektionale Faserbandage
und Magnetschicht
(E ,Er aus Reihenschaltung von Klebfugen und PM
Material)
In speziellen Fällen kann mit guter Nähe-
rung isotrop gerechnet werden, ri/ra>0,9.
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Bandagenauslegung für den Beispiel-Rotor
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CFK Bandage: db = 1,8 mm + 0,3 mm
(tragend + EKS)
Magnetschicht: hm = 6 mm Höhe
Klebfugendicke: dh = 0,2 mm
Breite der Magnete: bm = 20 mm
Zul. Beanspruchng der UD-CFK Bandage:
Tangential: t < 1000 N/mm2
Radial: r < 40 N/mm2 bei Zug,
r < 100 N/mm2 bei Druck
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Beispielrotor: Umlagerung der Fugendrücke durch Fliehkrafteinfluss
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Schrumpfmaß aus der Bedingung: Fugendruck p21 an Klebschicht der Magnete
Null bei Schleuderdrehzahl
Schrumpfmaß:
D = 0,464 mm
p11: Fugendruck an der
Bandage
p21: Fugendruck in der
Magnet-Klebfuge
Dp11: Einfluss der Ban-
dagenfliehkraft
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Beispielrotor: Tangentialspannungen in der Bandage
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Rotordynamik: Komponenten des Rotors
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0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1,000.00
1,200.00
1,400.00
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000
Fre
qu
en
z i
n H
z
Drehzahl min-1
1
2
3
4
5
6
7
8
Drehfrequenz
n max
Campbelldiagramm ohne Dämpfung
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Unwucht G = 1 ohne Dämpfung
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0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Sch
win
gge
sch
win
dig
keit
mm
/s
Drehzahl min-1
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Unwucht G = 1 mit Dämpfung
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20
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Sch
win
gge
sch
win
dig
keit
mm
/s
Drehzahl min-1
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Prüfstand des IMAB für Hochdrehzahl-Antriebe
nmax: 40000 min-1
Umax: 1000V
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Batteriesimulator 350 kW
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