Dieser Beitrag stellt einen elektrodynamischen Wandler vor, der im Vergleich zu konventionellen E‑Maschinen wettbewerbsfähige Betriebseigenschaften aufweist, beliebig skalierbar und kostengünstig herzustellen ist. Der Wandler ist geeignet, in vielfältigen Anwendungen als effizienter und effektiver Generator oder Motor eingesetzt zu werden. Der hier vorgestellte prototypische Wandler ist eine zweiphasige Außenläufer-Zahnpolmaschine mit permanenterregtem Rotor und Ringspulen am Stator. Die Maschine ist an das Klauenpolprinzip angelehnt und besitzt Zahnpolpaare. Der Versatz der beiden Teilsysteme zueinander beträgt elektrisch 90°, und sie erzeugen jeweils ein zeitlich pulsierendes Drehmoment. Die Rotorzahnreihen jedes Systems weisen jeweils einen elektrischen Versatz von 180° zueinander auf. Ein weichmagnetischer Kompositwerkstoff wird verwendet, um den magnetischen Fluss in allen drei Raumrichtungen führen zu können. Der Prototyp generiert pro Spule bei einer Drehzahl von 1500 U/min eine Spannung von 30 V und erzeugt eine extrapolierte Wirkleistung von 350 W.
Hinweise
Hinweis des Verlags
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
1 Einleitung
Weltweit ist der dringend notwendige Paradigmenwechsel von der Nutzung fossiler Rohstoffe als Basis der Elektroenergieerzeugung hin zur nachhaltigen Gewinnung von Elektroenergie aus erneuerbaren Quellen zu beobachten [1]. Besonders die Nutzung von Windenergie zeigt in diesem Prozess großes Potenzial mit hohen Wachstumsraten [1, 2]. Dies geht einher mit dem allgemeinen Trend zur Nutzung von Alternativen zu fossilen Energieressourcen in nahezu allen Wirtschaftsbereichen. Insbesondere in der Automobilindustrie ist dieses zu beobachten [3]. In der Konsequenz steigt die Nachfrage nach wartungsfreien, kostengünstigen E‑Maschinen mit langen Betriebszeiten [4]. Die Entwicklung von Kleinwindkraftanlagen besitzt beispielsweise hohes Potenzial zur dezentralen Energieversorgung in Entwicklungsländern [5]. Klauenpol-Automobilgeneratoren bieten eine kostengünstige Alternative zu permanentmagneterregten Generatoren [5].
2 Elektrodynamischer Wandler
Klauenpolgeneratoren zählen zu Transversalflussmaschinen und bilden eine Sonderbauform [6]. Nachteil dieser Maschinen sind jedoch die üblicherweise hohen Rastmomente [6]. Es ist ein Anliegen der hier vorgestellten Entwicklung, das Prinzip der Klauenpolmaschine zu optimieren und somit einen elektrodynamischen Wandler neuer Art zur Verfügung zu stellen, der einfach aufgebaut und anwendungsspezifisch von Einzelanfertigung bis hin zur Massenproduktion verwendet werden kann. Das explizite Ziel bestand darin einen, bezüglich Leistung und Geometrie beliebig skalierbaren Wandler, auf dem Patent [6] basierend, zu entwickeln, der gegenüber herkömmlichen Maschinen konkurrenzfähig, kostengünstig und einfach in der Herstellung ist. Dies ermöglicht die kundenspezifische Anpassung der Maschine an die Anwendungsfälle der verschiedenen Branchen.
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Basis der Entwicklungsarbeit ist ein elektrodynamischer Wandler, der nach einem innovativen Konzept aufgebaut wurde und nachfolgend als Zahnpolgenerator benannt ist. In der hier vorgestellten Bauweise ist dieser als Außenläufer mit einem permanenterregten Rotor und Ringspulen am Stator ausgeführt. Gegenüber klassischen elektrischen Maschinen erfordert die Zahnpolmaschine eine Führung des magnetischen Flusses in allen drei Raumrichtungen [8]. Daher ist bei der elektrischen Auslegung eine dreidimensionale Betrachtung mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) notwendig. Dabei wird die Generatorgeometrie in kleine Volumenelemente unterteilt, um Änderungen der Feldverläufe über dem Drehwinkel zu erfassen. Die geometrischen Dimensionen der Maschine werden parametrisiert, um die Geometrie der Komponenten flexibel der gewünschten Leistung anpassen zu können.
2.1 Aufbau
Der Zahnpolgenerator besteht aus zwei in Reihe geschalteten Spulensystemen. Der magnetische Schluss wird diskontinuierlich über Klauenpaare realisiert. Dies zieht eine ungleichmäßige Wandlung elektrischer Leistung in mechanisches Drehmoment nach sich. Durch einen definierten mechanischen Winkelversatz von 7,5° der beiden Spulensysteme überlagern sich Minima und Maxima der Drehmomenterzeugung gegenseitig, womit auch der Einsatz als Motor mit einem Drehmoment größer Null bei jedem Drehwinkel möglich ist. Der mechanische Winkelversatz in einem System ergibt sich aus der Anzahl der Polpaare: bei p Polpaaren unterteilt sich der Vollkreis in 360°/(2p) große Abschnitte. Das zweite System muss somit um 360°/(2 * 2p) mechanisch versetzt angeordnet werden.
Ein System besteht aus einer radial gewickelten Ringspule, die sich zwischen zwei Zahnpolscheiben mit jeweils 12 Polpaaren befindet (Abb. 1). Im Rotor befinden sich die Permanentmagnete jeweils an den Außenseiten der Zahnpolscheiben. Die ringförmigen Magnete setzen sich aus 90 Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)-Quadermagneten zusammen. Ein weichmagnetischer Kompositwerkstoff (Soft Magnet Composite-SMC) [7] führt den magnetischen Fluss in drei Dimensionen.
Abb. 1
Aufbau der prototypischen zweiphasigen Zahnpolmaschine; A) Zahnpolpaare, B) Ringspule, C) Magnetringe, D) Hülle, E) Seitendeckel, F) Stahlwelle
×
Ein Vergleich zwischen den Eigenschaften des gewählten Materials und Elektroblech ist in Tab. 1 zu finden. Das SMC-Material eignet sich für die Herstellung von großen Stückzahlen. Aufgrund der Fertigungsmethode durch Formpressen sind einmalige hohe Kosten für die Herstellung der Formwerkzeuge zu berücksichtigen, das Rohmaterial hat dem Gegenüber geringe Beschaffungskosten. Die Stückkosten sinken somit mit steigender Stückzahl.
Tab. 1
Vergleich SMC und Elektroblech
SMC
Dynamoblech
Ausführungsform
Gepresstes Pulver
Laminierte Bleche
Permeabilität
–
+
Sättigungsinduktion
–
+
Hystereseverluste
–
+
Wirbelstromverluste
+
–
Mechanische Festigkeit
–
+
3D-Flussführung
+
–
Spezfische Masse
+
–
Thermische Leitfähigkeit
–
+
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Auf Grund der ungünstigen mechanischen Eigenschaften des gesinterten Materials wird eine Stahlwelle eingesetzt, auf der die SMC-Werkstücke über Passfedern ausgerichtet werden können. Die beiden Deckel und das Gehäuse der Maschine bestehen aus einer Aluminiumlegierung, um den magnetischen Fluss nicht zu beeinflussen. Der Prototyp hat einen Außendurchmesser von 110 mm und eine Länge von 270 mm.
Der Vorteil gegenüber konventionellen Wandlern liegt im einfachen Aufbau und der daraus resultierenden vereinfachten Skalierbarkeit. Durch den zweiphasigen Aufbau wird die Drehmomentwelligkeit und somit das Rastmoment verringert [8].
2.2 Finite-Elemente-Modell
Die erreichbare Leistung ist abhängig von den Dimensionen der einzelnen Bauteile des Zahnpolgenerators. Aufgrund der Achsensymmetrie des Wandlers konnte das Modell auf einen Ausschnitt reduziert werden, was die Berechnung der transienten FEM-Simulation um ein Vielfaches verkürzt. Die Ergebnisse können nach der Simulation auf das gesamte Teilsystem extrapoliert werden. Die geometrischen Größen sind skalierbar und können vom Außendurchmesser abhängig parametrisiert werden. Dies ermöglicht ein multiparametrisches Optimierungsverfahren für eine spätere automatisierte Festlegung der Abmessungen für den gewählten Anwendungsbereich.
2.3 Simulation
Zur elektrischen Auslegung des Systems wurden jeweils der Leerlauf- und der Lastfall simuliert.
Die Leerlaufsimulation gibt die Werte für den zeitlichen Verlauf des magnetischen Flusses Φ0(t) in einer Spule und die induzierte Spannung ui0, wdg(t) pro Windung wieder. Bei 1500 U/min und 50 Windungen beträgt der Gesamt-Effektivwert Ui0 = 32,1 V.
Die Lastsimulation erfolgt unter Berücksichtigung der Ummagnetisierungsverluste. Das Ergebnis liefert die zeitlichen Verläufe von Durchflutung ΘN(t), Spannung uiN,wdg(t), Drehmoment MN(t) und Leistung SN(t) (Abb. 2).
Die Berechnung der zwölfpoligen Maschine erfolgte bei Speisung mit einem zeitlich sinusförmigen Strom î = 20 A (300 Hz) in Phase mit der induzierten Leerlaufspannung für eine konstante Drehzahl n = 1500 U/min.
2.3.1 Windungszahl und Wirkungsgrad
Die Windungszahl wird bei vorgegebener Spannung unter Last ûiN,ges und Spannung pro Windung ûiN,wdg nach Gl. 1 berechnet:
Bei ûiN,wdg = 1,9 V und ûiN,ges = 87,5 V ergibt sich ein Wert von 46 Windungen. Gewählt wurde letztlich W = 50.
Für Messungen an der prototypischen Maschine stand zunächst keine zweiphasige Leistungselektronik zur Verfügung. Daher wurde zur experimentellen Bestimmung des Wirkungsgrads ein Reihenresonanzkreis aus Maschineninduktivität Li und -widerstand Ri sowie einer externen Kapazität CL und Lastwiderstand RL für den zugrundeliegenden Strom \(\hat{i}\) dimensioniert.
Mit den Maschinendaten aus der Lastsimulation Ri = 0,058 Ω und Li = 2,25 mH ergaben sich RL = 2,2 Ω und CL = 1,25 µF. Zur Kontrolle kann die Dämpfung d berechnet werden. Bei einem Wert von d = 0,265 liegt ein leichtes Überschwingen vor, welches bei der gewählten langsamen Verstellung nicht zu kritischen Spannungen führt.
Die ermittelten Daten erlauben auch eine Berechnung der generatorischen Wirkleistung PL und der aufgenommenen mechanischen Leistung Pm:
Aus der Wirkleistung von 431,2 W und der berechneten mechanischen Leistung von 510 W bei einem Drehmoment-Mittelwert von 3,246 Nm ergeben sich eine Verlustleistung von 78,8 W und ein Wirkungsgrad von 84 %.
2.4 Fertigung des Funktionsmusters
Die Herstellung der Eigenfertigungskomponenten erfolgte mittels spanender Verfahren. Aufgrund des spröden Verhaltens des SMC-Werkstoffes ist dessen Bearbeitung besonders aufwändig. Aufgrund der in Bezug auf Kantenqualität bisher nicht optimierten Technologie zeigten sich bearbeitungsbedingt kleinere Ausbrüche an exponierten Stellen der gefertigten Komponenten. Diese Inhomogenitäten der Randgeometrien der Bauteile wirken sich negativ auf die magnetische Flussführung aus.
Der Winkelversatz zwischen den beiden Zahnpolsystemen wird über die Nut-Passfederverbindung im Stator realisiert. Hier ist eine sehr hohe Maßgenauigkeit notwendig, um den Phasenversatz zu gewährleisten.
Die axial magnetisierten Quadermagnete wurden im vorliegenden Fall in eine Magnethalterung eingesetzt und fixiert. Nach der Herstellung aller Komponenten wurden der Rotor (Abb. 3) und der Stator (Abb. 4) montiert. Basierend auf dem FEM-Modell wurde der Drahtdurchmesser ermittelt und die Spule manuell mit einem 1,41 mm isolierten Draht gewickelt. Zusätzlich werden die Spulen mit Isolierklebeband umwickelt, um diese beim Einführen in den Rotor vor Beschädigungen zu schützen.
Abb. 3
Rotor mit Magnetscheibe (schwarz: Magnethalterung aus Polymilchsäure PLA) und SMC-Werkstücke
Abb. 4
Stator mit den gewickelten Spulen zwischen den Klauenscheiben
×
×
Zentriert wird der Stator über die Rillenkugellager in den beiden Deckeln. Da die magnetischen Anziehungskräfte bei der Montage sehr hoch sind, erfordert die Montage der Maschine eine steife Vorrichtung, die die hohen Kräfte aufnehmen kann und das kollisionsfreie Fügen von Rotor und Stator in ausreichender Genauigkeit ermöglicht.
3 Messergebnisse
Die Messungen finden in einem angepassten Prüfstand statt (Abb. 5). Die Leerlaufmessungen zeigten bei beiden Spulen eine Spannung von 30 ± 0,5 V. Die gemessene elektrische Phasenverschiebung zwischen den beiden Spulen beträgt \(\Updelta \upvarphi _{\mathrm{el}}=98{,}3{^{\circ}}\) (Abb. 6). Der gemessene Kurzschlussstrom liegt bei 6 ± 0,1 A.
Abb. 5
Prüfstand mit eingebauter Maschine
Abb. 6
Oszillogramm der Leerlaufspannung
×
×
Die Asymmetrie zwischen der positiven und negativen Halbschwingung resultiert aus der Verschiebung des Arbeitspunktes durch die permanentmagnetische Erregung, die zu unterschiedlichem Sättigungsverhalten in beiden Richtungen führt. Idealerweise beträgt der elektrische Winkelversatz 90° bei einem mechanischen Winkelversatz von 7,5° der beiden Spulensysteme. Der in der Messung ermittelte elektrische Winkelversatz von 98,3°, würde somit einem mechanischen Winkelversatz von 8,3° zwischen den beiden Spulensystemen entsprechen. Dieser Winkelfehler kann durch die mechanischen Fertigungstoleranzen und damit mit einer Abweichung zwischen erwartetem und realem mechanischen Winkelversatz begründet werden.
Die Messung der Wirkleistung sollte idealerweise unter Nutzung einer geeigneten Leistungselektronik und einem Winkelsensor erfolgen. Da keine passende ein- oder zweiphasige Elektronik zur Verfügung stand, wurden Ersatzmessungen im Generatorbetrieb mit einer Kompensation der Grundschwingungs-Phasenverschiebung durchgeführt. Unter Last erreichte die Maschine einen Stromeffektivwert von 14 A, was einer Wirkleistung von 346 W entspricht. Das Drehmoment im einphasigen Betrieb ergab einen Wert von 2,76 Nm. Folglich liegt die gemessene mechanische Leistung bei 433,54 W bei 1500 U/min, und die Verlustleistung beträgt 87,54 W. Daraus resultierend ergibt sich ein Wirkungsgrad von 79 %.
Anhand der Messwerte und der Geometrie des Generators kann die Leistungsdichte für die zweiphasige Labormaschine ermittelt werden. Tab. 2 listet die erreichten Werte für Drehmoment M, Drehzahl n, Leistung P, Gesamtlänge L, Durchmesser D und das Volumen VL2 der zweiphasigen Maschine auf.
Tab. 2
Daten der zweiphasigen Labormaschine
Größe
\(M\)
\(n\)
\(P\)
\(L\)
\(D\)
\(V_{L2}\)
\(m\)
Einheit
Nm
min−1
W
mm
mm
l
kg
Gesamt
5,52
1500
692
168
110
1,6
9,45
Aktivteil
161
94
1,12
5,49
Einige Kennzahlen werden, wie in Tab. 3 aufgelistet, abgeleitet.
Tab. 3
Kennzahlen der zweiphasigen Labormaschine
Größe
\(\left(P/V\right)_{2}\)
\(\left(P/m\right)_{2}\)
Einheit
W l−1
W kg−1
Gesamt
433
73
Aktivteil
618
126
3.1 Vergleich zwischen Simulation und Messung
Der Vergleich zwischen Simulations- und Messergebnissen zeigt eine gute Übereinstimmung. Die Abweichungen in der Leerlaufspannung liegen bei 5–8 % und im Kurzschlussstrom bei 19–21 % (Tab. 4). Die gemessene Wirkleistung beträgt 80,2 % in Bezug auf die simulierten Werte, die mechanische Leistung erreicht einen Wert von 85 %. Der gemessene Wirkungsgrad liegt um 5 % unter dem berechneten Wert (Tab. 5). Dies ist mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit darauf zurückzuführen, dass lediglich prototypisches SMC-Material eingesetzt werden konnte. Damit gehen Leistungseinbußen von bis zu 20 % einher. Bei Einsatz vollwertigen Materials ist somit zu erwarten, dass die realen Leistungswerte die simulierten Werte übertreffen werden.
Tab. 4
Vergleich der Simulations- und Messdaten im Leerlauf- und Kurzschlussversuch
Werte
Simulation
Spule 1
Statorinduktivität
Li [mH]
2,25
2,15
Statorwiderstand
Ri [mΩ]
58,62
126,6
Induzierte Leerlaufspannung
Ui0 [V]
32,1
30,6
Kurzschlussstrom
Ik [A]
7,5
6,09
Tab. 5
Vergleich der Simulations- und Messergebnisse unter Nennlast
Werte
Simulation
Spule 1
Lastwiderstand
RL [Ω]
2,2
1,765
Kompensationskapazität
CL [µF]
125
110,9
Elektrische Leistung
PL [W]
431,2
346
Mechanische Leistung
Pm [W]
510
433,54
Wirkungsgrad
η [%]
84
79
Die Abweichungen zwischen Mess- und Simulationswerten erfordern folgende weitere Schritte zur Verbesserung des Entwurfsverfahrens:
Zum einen kann durch eine geeignete Leistungselektronik in Kombination mit einem Winkelsensor die erreichbare Leistung ausgeschöpft werden.
Zum anderen können Verbesserungen der Simulation zu genaueren Ergebnissen führen, dazu gehört vor allem die segmentierte Modellierung der Permanentmagnete, die bisher als Vollringe angenommen wurden.
Alternativ wird eine Anpassung der Konstruktion des Generators mit Vollring-Magneten erwogen, was einer Anpassung der Realität an die Simulation entspräche.
Einsatz vollwertiger SMC-Bauteile statt Prototypenmaterials
4 Ausblick
Die ersten Messungen der Zahnpolmaschine zeigen das hohe Potenzial dieser Art von Maschinen für eine Reihe von Anwendungen. Schlanke Außenläufermotoren und -generatoren können einfach realisiert werden. Flache segmentierte Maschinen würden von einem Zahnpolantrieb profitieren. Applikationen sind denkbar in den Bereichen der Gewinnung regenerativer Elektroenergie sowie in der Elektromobilität und der Industrieautomation. Durch die hohe Flexibilität in der Fertigung können hoch anwendungsspezifische, getriebelose Lösungen realisiert werden. Die Aufgaben der nahen Zukunft bestehen darin, die elektrische Leistungsfähigkeit durch weitere Optimierung der Fertigung zu steigern und die Grenzen der konstruktiven Flexibilität zu erforschen. Zudem ist eine geeignete Leistungselektronik in Vorbereitung. Weitere Optimierungsaspekte sind die Anpassung der Simulation an die herstellungsbedingten Vorgaben der Konstruktion und damit eine Auslegung von Komponenten, die näher an der Realität ist. Ein weiteres Forschungsfeld bietet die Quantifizierung der Oberflächenverluste des SMC-Werkstoffes und daraus resultierende Anpassungen der geometrischen Parameter mittels Optimierungsalgorithmen zur Minimierung dieser Verluste. Erkenntnisse über das Betriebsverhalten des Wandlers gemeinsam mit besseren Modellen ermöglichen das Anwenden von Methoden aus dem Leichtbau in der Konstruktion der Komponenten, um eine höhere Leistungsdichte zu erzielen. Die Handhabung der SMC-Bauteile wird durch Formpressen verbessert. Zusammen mit der Verwendung dedizierter Montagevorrichtungen wird dies zu einer deutlichen Verringerung des Montageaufwands führen. Simulationen mit idealen Voraussetzungen zeigen in einer angepassten Maschinenanordnung einen theoretischen Wirkungsgrad von 94 %. Dies ist der Zielwert für die folgenden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten.
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