die Lorentz-Kraft

Lehrveranstaltung
„Elektrische Antriebstechnik – Grundlagen und Anwendungen“
Prinzipieller Aufbau elektrischer Maschinen
Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel
([email protected])
Technische Universität München
Arcisstraße 21
80333 München
Krafterzeugung durch elektrische Energie
Die Umwandlung elektrischer in mechanische Energie … oder umgekehrt …
… richtet sich nach den Maxwell‘schen Gleichungen
1. Durchflutungsgesetz

(Ampère‘s Gesetz mit Korrekturen von Maxwell)
2. Induktionsgesetz
(Faraday‘s Gesetz)
… die Lorentz-Kraft
3. Gesetz von Gauss
(Ursprung elektrischer Feldlinien auf elektrischen Ladungen)
4. Gesetz von Gauss für magnetische Felder
(es gibt keine magnetischen Monopole
– nur geschlossene magnetische Feldlinien)
die Lorentz-Kraft
physikalische Grundlage
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
die Lorentz-Kraft
physikalische Grundlage
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
die Lorentz-Kraft
die „Dreifinger-Regel“
Achtung !!!
… das funktioniert nur mit der rechten Hand
 … also Schreibstift aus der Hand legen !!!
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
die Lorentz-Kraft
… man kann es auch mit dem „Maxwell‘schen Zug“ erklären
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
die Lorentz-Kraft
Krafterzeugung in der Gleichstrommaschine
If
B
Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich
Bürstenlose Maschinen statt Gleichstrommaschinen ?!
If
B
• Vorteile :
gute Regelbarkeit :
hohe Dynamik und Genauigkeit
mit einfachen und
kostengünstigen Speise- und
Regelungselektronik
mechanischer Kommutator :
sorgt für rechten Winkel
zwischen Ia und a
• Nachteil
mechanischer Kommutator
schränkt die Vielfalt
der Ausführungsformen ein
Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich
Bürstenlose Maschinen statt Gleichstrommaschinen ?!
• Nachteil
3 Strangströme:
 gleichzeitige Regelung von
mindestens zwei Strangströmen
d muss ermittelt werden
• Vorteil
größere Vielfalt an Ausführungsformen:
 Kommutator ist nicht “im Weg”
Quelle : Prof. A. Mütze, Technische Universität Graz, Österreich
B
DC and AC Machines
EC motor/BLDC motor
synchronous machine
DC machine
Synchronous Motor
with Surface Mount Permanent Magnets
Standard industrial servo PMSM
distributed stator windings
surface mounted PM
Aufbau des Rotors einer Synchronmaschine
mit oberflächenmontierten Permanentmagneten
PMSM (Permanent Magnets Surface Mounted)
SMPM (Surface Mounted Permanent Magnets )
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Aufbau des Rotors einer Synchronmaschine
mit oberflächenmontierten Permanentmagneten
SMPMSM
(Surface Mounted Permanent Magnets Synchronous Machine )
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Aufbau des Rotors einer Synchronmaschine
mit oberflächenmontierten Permanentmagneten
… an diesen Stellen
existiert kein
magnetischer Fluss
 das Eisen kann entfallen
 geringeres Trägheitsmoment
 höhere Dynamik
Synchronous Motor
with Buried (or Interior) Permanent Magnets
•
rating : according to (continous) torque at standstill
•
torque reduction at higher speed (caused by losses)
•
high protection class (IP 65 or more), no forced cooling
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Synchronous Motor
with Buried (or Interior) Permanent Magnets
IPMSM
(Interior Permanent Magnets Synchronous Machine )
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Ausführungsformen
Zylinderläufer
 das ist „normal“
… wegen des Kommutators
wäre diese Ausführung
als Gleichstrommaschine
nicht einfach zu realisieren
Scheibenläufer
Glockenläufer
Drehstrom- (AC-) Servoantriebe
Hochgeschwindigkeitsspindel
Siemens
“High Torque” Motor
Baumüller
DSD Servomotor
Baumüller
Spindel-Motor
Franz Kessler
Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, Universität Siegen
Prof. Dr. -Ing. R. M. Kennel, Bergische Universität Wuppertal
Moderne Servo-Motoren :
Synchronmotoren mit Permanentmagneten
•
Bemessung : nach Stillstandsdrehmoment
•
Dauer-Drehmoment im Stillstand (Mo) : < 200 Nm
•
das Drehmoment nimmt mit zunehmender Drehzahl ab
•
überwiegend Schutzart IP 65, nicht belüftet
•
mechanische Abmessungen (Klassifizierung) nach Fenstermaß
(nicht nach Baugröße wie bei Standardmotoren) :
e. g. : 55, 60, 70, 92, 115, 140, 142, 190
(je nach Hersteller)
Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, Universität Siegen
Prof. Dr. -Ing. R. M. Kennel, Bergische Universität Wuppertal
Vergleich Außenläufer - Innenläufer
Quelle: VENSYS Energiesysteme
DC and AC Machines
EC motor/BLDC motor
synchronous machine
DC machine
asynchronous machine
Servoantriebe mit Asynchronmotoren
Einsatz von Standard- bzw. Norm-Motoren
ist nicht möglich, da
für den Betrieb im Stillstand Zwangskühlung benötigt wird
für die Messung der Rotorposition ein Drehgeber benötigt wird
das bei hohen Drehzahlen notwendige Kippmoment
eine niedrigere Streuung als bei Norm-Motoren erfordert
der Einsatz anstelle bisheriger (DC-) Servoantriebe
ein schlankeres Design als bei Norm-Motoren erzwingt
Asynchronmotoren
schlanke Bauform für Servo-Anwendungen
Quelle : Fa. ATB (KUV-Motor)
Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, Universität Siegen
Prof. Dr. -Ing. R. M. Kennel, Bergische Universität Wuppertal
Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine
Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine
Grunddrehzahlbereich
Feldschwächbereich
Design Criterions for Electrical Machines
• torque
– continuous torque (at standstill !!)
– overload characteristic
(the ratio continuous torque to maximum torque
is between 1:3 and 1:6 with positioning drives)
– maximum torque pre-defines mechanical motor size !!!
• speed
– base speed range (maximum speed)
– smooth operation at low speeds ???  caution !!!
– trick : increase of power by increase of speed
(no increase of motor size !)
zukünftige Entwicklungen
Einzelzahn-Wicklungen
Verteilte Wicklung  Zahnspulenwicklung
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Verteilte Wicklung  Zahnspulenwicklung
… die mögliche Materialeinsparung reizt doch zu stark !!!
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
single tooth (bobbin) windings
cost reduction with respect
to significant smaller end windings
 30 % less copper cost
disadvantage :
magnetic field
has non-sinusoidal distribution
… fortunately that does not matter for synchronous machines
… this techniques, however,
cannot be applied to asynchronous machines
single tooth (bobbin) windings
… die Lorentz-Kraft
F=Bli
Kernpunkt : das Produkt zwischen B und i
… bei sinusförmiger Verteilung von B und i
sin(A)  sin(B) =
½  cos {A-B} - ½  cos {A+B}
… ergibt sich dann ein Ergebnis mit Mittelwert  0,
wenn die Wellenlänge der Sinusfunktionen gleich ist !
… fortunately that does not matter for synchronous machines
… this techniques, however,
cannot be applied to asynchronous machines
single tooth (bobbin) windings
… sorgt man für ein oberwellenfreies
rein sinusförmiges B
(z. B. durch die Auslegung der Permanentmagnete)
… stören Oberwellen in der Stromverteilung i
– zumindest theoretisch –
überhaupt nicht !!!
sin(A)  sin(B) =
½  cos {A-B} - ½  cos {A+B}
… ergibt sich dann ein Ergebnis mit Mittelwert  0,
wenn die Wellenlänge der Sinusfunktionen gleich ist !
… fortunately that does not matter for synchronous machines
… this techniques, however,
cannot be applied to asynchronous machines
Zahnspulenwicklung
… es ist nicht nur die mögliche Materialeinsparung !!!
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Zahnspulenwicklung
… Wickelköpfe produzieren in der Regel viel Verlustwärme !!
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Zahnspulenwicklung
bei einer Außenläufer-Synchronmaschine
… hier können die gleichen Fertigungseinrichtungen
wie bei der Herstellung von Gleichstrom-Ankern
verwendet werden !!!
 sehr interessant für BOSCH
Quelle : Prof. A. Binder, Technische Universität Darmstadt
Quelle : Prof. K. Hameyer, RWTH Aachen