INEA Innovative elektrische Maschine für energieeffiziente Antriebssysteme

Im Rahmen dieses Projektes sollen die Berechnung, der Entwurf, die Auslegung und der Aufbau einer energieeffizienten, elektrisch erregten Synchronmaschine erfolgen. Der Läufer soll kontaktlos mittels induktiver Übertragung mit Energie versorgt werden.

Motivation und Ziel

Synchronmaschinen sind elektrische Drehfeldmaschinen, die für den Betrieb ein magnetisches Gleichfeld auf dem Rotor benötigen. Dies kann entweder von Permanentmagneten hervorgerufen werden oder mittels einer elektrischen Wicklung erzeugt werden.

Abbildung 1: Permanentmagnetisch erregter Rotor

Abbildung 2: Elektrisch erregter Rotor

In den letzten 15 Jahren hat die permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine aufgrund ihrer positiven Eigenschaften, wie hoher Wirkungsgrad und hohe Robustheit, immer mehr an Bedeutung gewonnen. Der Nachteil dieser Maschine liegt darin, dass Metalle der seltenen Erden, die zur Herstellung der Permanentmagnete benötigt werden, preislich nicht kalkulierbar sind. Desweiteren sind Permanentmagnete temperaturempfindlich und deren Montage ist aufwendig. Daher rückt die elektrische erregte Synchronmaschine vermehrt in den Fokus. Dafür muss jedoch elektrische Energie auf dem rotierenden Teil der Maschine bereitgestellt werden. Dies wird üblicherweise mittels Schleifringen realisiert. Diese Art der Energieübertagung ist jedoch in der Herstellung teuer und vor allem wartungsintensiv. Daher soll im Rahmen dieses Vorhabens die Übertragung der auf dem Rotor benötigten Energie berührungslos mittels einer induktiven Übertragungsstrecke realisiert werden.

Gegenstand

Die Auswahl einer geeigneten Rotortopologie unter Berücksichtigung der Innovationsmöglichkeiten, des möglichen Wirkungsgrades und der Leistungsdichte der zu entwickelnden elektrischen Maschine, stellt einen zentralen Punkt des Projektes dar. Dabei soll das Hauptaugenmerk vor allem auf die Eignung der Rotortopologie zur Kopplung mit einem induktiven Übertragungssystem aber auch zur Ausnutzung der durch die elektrische Erregung entstehenden Vorteile liegen. Die Findung einer optimalen Lösung erfordert die systematische Analyse und Untersuchung einer Vielzahl verschiedener Topologien.

Bei der Entwicklung einer geeigneten Energieübertragungsstrecke zur Versorgung der Erregerwicklung stellen neben der Übertragung der Energie auf ein rotierendes System auch die Auswahl der in einer elektrischen Maschine eingesetzten Materialien eine Herausforderung dar. Um die Funktionalität der Übertragungsstrecke zu gewährleisten, müssen unter anderem die hochfrequenten magnetischen Felder, die für eine Energieübertragung erzeugt werden müssen, von allen elektrisch leitenden Materialien mittels Ferritschichten abgeschirmt werden.

Um dieser Problemstellungen zu begegnen, sollen verschiedene Entwurfsverfahren eingesetzt werden. Zunächst soll die Gesamtanordnung aus elektrischer Maschine und kontaktloser Energieübertragungsstrecke mittels analytischer Berechnung untersucht und optimiert werden. Anhand der gewonnenen Ergebnisse kann dann eine numerische Untersuchung mittels FEM-Analyse erfolgen, um sowohl die Leistungsdichte der Maschine, als auch die Effizienz der Gesamtanordnung zu optimieren.

Für die Inbetriebnahme der elektrischen Maschine muss eine Regelung entworfen werden, die für eine Optimierung des Wirkungsgrades sowohl die Regelung der eigentlichen elektrischen Maschine, als auch die Regelung der kontaktlosen Übertragungsstrecke übernimmt. Im Vergleich zu permanentmagnetisch erregten elektrischen Maschinen bietet die elektrisch erregte Synchronmaschine eine Reihe von Vorteilen. Dies ist hauptsächlich durch die Möglichkeit gegeben, das rotorseitige Erregerfeld über einen Erregerstrom einzustellen. Eine elektrisch erregte Synchronmaschine weist insbesondere im Bereich höherer Drehzahlen eine höhere Effizienz auf. Zudem erhöht sich die Sicherheit des gesamten Antriebes, da im Fehlerfall die Synchronmaschine von selbst ausläuft. Durch die kontaktlose Versorgung der Rotorwicklungen erhöhen sich zudem die Lebensdauer, der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Antriebssystems. Gleichzeitig sinken der Wartungsaufwand und die Gesamtkosten.

Abbildung 3: CAD-Modell einer elektrisch erregten

Synchronmaschine

Abbildung 4: Prinzip der kontaktlosen Energieübertragung

Erwartete Projektergebnisse

Das Projekt soll den Nachweis der Möglichkeit zur induktiven kontaktlosen Versorgung eines Rotors liefern, wodurch an vielen Stellen auf seltene und teure Permanentmagnete verzichtet werden könnte. Weiterhin soll gezeigt werden, dass die elektrisch erregte Synchronmaschine bei Versorgung mittels kontaktloser Energieübertragung auch im mittleren Leistungsbereich eine gute Effizienz aufweisen kann.