Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Line-Start Synchron-Reluktanzmotoren in einem Leistungsbereich unterhalb von 1,5 kW. Dieser ist in der Literatur bisher kaum abgedeckt, sodass unklar ist, ob und bis zu welcher Größe sich die Motortopologie herunterskalieren lässt und somit auch für Anwendungen in der Industrie speziell im Bereich ≤1 kW in Frage kommt. Dazu sollen zwei verschiedene Baugrößen ausgewählt werden, die den Leistungsbereich möglichst gut abdecken und auch verschiedene Anwendungen bedienen können. Außerdem werden jeweils 2- und 4-polige Varianten untersucht, um mögliche Vor- und Nachteile herausarbeiten zu können. Neben Mustermotoren, die vor allem zur grundlegenden Untersuchung im Messlabor und zur Validierung der Berechnungsmodelle dienen, sollen auch optimierte Geometrien die Möglichkeiten und Grenzen der Technologie untersuchen.
Die Arbeitspakete in diesem Projekt können in wie folgt grob in zwei Gruppen unterteilt werden.
Entwurf, Fertigung und Optimierung von Mustermotoren:
• Elektromagnetische und mechanische Auslegung (magnetischer Kreis, Wicklung, mechanische Festigkeit)
• Seriennahe Fertigung der Mustermotoren (Läuferkäfigfertigung mit Aluminiumdruckguss)
• Messtechnische Untersuchung der Muster (Wirkungsgradmessung, dynamisches Verhalten, Geräusch- und Schwingungsverhalten)
• Optimierung der Motorgeometrie
Modellbildung zur Berechnung der Mustermotoren:
• Finite Elemente Analyse des Hochlaufs
• Entwicklung eines analytischen Modells zur schnelleren Berechnung des Hochlaufverhaltens
• Berechnung der Eisenverluste
• Thermische Berechnung
Auf Basis der ausgewählten Asynchronmaschinen wurden verschiedene LSSynRM entwickelt, mit denen eine Wirkungsgradsteigerung erreicht werden sollte. Vor allem bei der kleinen Baugröße war zuvor unklar, ob LSSynRM überhaupt einen nennenswerten Vorteil bringen. Jedoch hat bereits der entwickelte Mustermotor Ia (0,20 kW) einen Wirkungsgrad von 81,85% im Nennpunkt erreicht. Dieser liegt gut 6% höher als bei der Asynchronmaschine (75,64%). Beide Mustermotoren für die Spezialanwendung (Motor IIa & IIb, 1,0 kW) konnten ebenfalls wertvolle Erkenntnisse und zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Bei 9000 1/min war die Festigkeit der Rotorstruktur stets sichergestellt ohne den magnetischen Kreis zu stark zu verschlechtern. Die optimierte Motorgeometrie von Motor IIb wurde gegen Ende des Projekts in die Fertigung gegeben und lässt erwarten, dass der Wirkungsgrad gegenüber der Asynchronmaschine und dem Muster weiter gesteigert werden kann.
Insgesamt wurden auch wichtige Erkenntnisse zur Fertigung gewonnen. So konnte im Rahmen des Projekts evaluiert werden, welche Parameter in der Druckgussfertigung der Läuferkäfige zu beachten sind. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich sowohl Mustermotoren als auch eine Serie sicher fertigen.
Bei der Inbetriebnahme der Mustermotoren ist bei der kleinen Baugröße (Motor Ia & Ib) ein Instabilitätsproblem im Synchronismus aufgetreten. Wurde der Motor ohne zusätzliche Last und Trägheit betrieben, begann der Rotor um die synchrone Drehzahl zu schwingen. Dieses Phänomen war im Netzbetrieb der Motoren zunächst unbekannt und wird weiter untersucht. Es ist jedoch davon auszugehen, dass dieses Problem weiter eingegrenzt werden kann. Da es bei Belastung nicht aufgetreten ist, wird ein sicherer Einsatz in der Anwendung möglich sein.
Zusätzlich zu bekannten Berechnungsverfahren wurde im Rahmen des Projekts ein analytisches Modell zur Berechnung des Hochlaufs von LSSynRM entwickelt. Da transiente Finite Elemente Analysen sehr zeitaufwändig sind, wird die Entwicklung der Motoren bisher erheblich erschwert. Da vor allem das Hochlaufverhalten im Vergleich zu Asynchronmaschinen kritischer ist, muss dieses jedoch genau untersucht werden. Das entstandene Modell kann bei guter Genauigkeit die Rechenzeit von mehreren Stunden mit FEM auf unter eine Minute reduzieren.
2021 Initial Design and Measurement of Line-Start Synchronous Reluctance Machines for Industrial Applications up to 1 kW
J. Rituper und R. Gottkehaskamp.
VDE Verlag (Hrsg.): Elektromechanische Antriebssysteme 2021: Electromechanical Drive Systems 2021. Berlin: VDE Verlag, 2021.
2020 Consideration of the Skin Effect in a Transient Model of Line-Start Synchronous Reluctance Machines
J. Rituper, J. Güdelhöfer und R. Gottkehaskamp.
2020 International Conference on Electrical Machines (ICEM), 2020.
Die Wirkungsgradsteigerung durch den Ersatz von Asynchronmaschinen mit Line-Start Synchron-Reluktanzmaschinen im Leistungsbereich von unter 1,5 KW konnte nachgewiesen werden. Besonders erfreulich ist der Verzicht auf Magnetmaterialien und Elektronik. Die gewonnenen Erkenntnisse in der Entwicklung und Berechnung der Motoren stimmen zuversichtlich, dass eine Serienproduktion in den ausgewählten Baugrößen realisiert werden kann. Hier konnte der Stand der Technik durch das Projekt weiterentwickelt werden. Im Nachgang des Projekts wird die Groschopp AG in Zusammenarbeit mit der Hochschule Düsseldorf weiter an der Untersuchung des Instabilitätsphänomens arbeiten, um die Baureihe schlussendlich serienfähig zu machen.