Synchronmaschine mit eingebetteten Magneten und neuartiger variabler Erregung für Hybridantriebe

Wöhl-Bruhn, Henning

Die Verknappung von Rohstoffressourcen und ein steigendes Umweltbewusstsein vergrößern den Anreiz für Hersteller von Fahrzeugen und elektrischen Maschinen deren Effizienz zu verbessern und neue Antriebssysteme zu entwickeln. Als neue elektrische Antriebskomponente eines Hybrid-Stadtbusses wird in dieser Dissertation eine Maschine mit eingebetteten Magneten und neuartigem Feldschwächverfahren vorgestellt. Es erfolgt zunächst eine Strukturierung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen als auch eine Betrachtung von Energieeinsparpotenzialen im Fahrzeugbetrieb. Nachfolgend werden Strategien sowie Verschaltung und Parametrisierung der Komponenten einer Gesamtfahrzeugsimulation dargestellt. Motiviert durch die Ergebnisse dieser Simulation ist das Ziel die Auslegung der neuen Synchronmaschine anstelle der bisher eingesetzten Asynchronmaschine. Diese Schenkelpolmaschine mit variabler Permanentmagneterregung weist besondere Eigenschaften hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, des Wirkungsgrads und der Schleppverluste auf. Nach der Vorstellung eingesetzter Berechnungsverfahren erfolgt eine umfangreiche Klassifizierung der Feldschwächverfahren von Synchronmaschinen. In diese Struktur wird das neue Verfahren zur Schwächung des Erregerfeldes eingegliedert, welches mit dem Namen Integrated Magnet Adjustable Bar (IMAB) bezeichnet wird und eine wesentliche Innovation dieser Arbeit darstellt. Mit diesem Verfahren sind die gewünschten Eigenschaften der Maschine erreichbar. Es wird anschließend eine Methodik zur schnellen Berechnung von Kennfeldern vorgeschlagen, die das Verhalten der Maschine in ihrem gesamten Betriebsbereich beschreiben. Durch deren Einbindung in eine Optimierung erfolgt die Auslegung der neuen IMAB-Maschine. Es folgt die Realisierung in Form eines Prototyps, auf dessen Rotoraufbau und -konstruktion eingegangen wird. Die Vorteile dieser Maschine werden zum Abschluss der Arbeit durch Messergebnisse und Vergleiche mit numerischen Berechnungsergebnissen bestätigt.

The shortage of resources and a growing environmental awareness force car and electric machine manufacturers to improve the efficiency of established concepts and to develop new drive systems. In this dissertation the advantages of using an optimised electric machine are represented by an exemplarily hybrid electric city bus. To meet the targets of the drive-train, a permanent magnet synchronous machine with embedded magnets (also known as interior permanent magnets) and a novel type of field-weakening capability is introduced. Initially possibilities for saving energy during drive operation are examined and topologies of hybrid electric vehicles are structured. On the basis of a real drive-train a simulation tool – incorporating strategies and parameterisations of components – is used to observe the characteristics of the system with different properties of the electric machine. Encouraged by the results, the novel salient pole machine is designed to replace the obsolete asynchronous machine. An introduction of specifics and calculation methods for machines with embedded magnets as well as a structured overview of different techniques of field-weakening procedures are given. The novel type of machine is placed in this structure and named Integrated Magnet Adjustable Bar (IMAB) machine. The usage of the implemented flux-weakening leads to a wide speed range machine with high performance, high efficiency and reduced idling losses. For the design, the methodology for the fast calculation of characteristic diagrams is explained. By using these maps the magnetic circuit of the new machine was optimised. A suitable construction and assembly of the proposed machine as well as results of measurements of the prototype are presented. Concluding theoretical advantages of the exemplary IMAB machine are experimentally verified.

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Wöhl-Bruhn, Henning: Synchronmaschine mit eingebetteten Magneten und neuartiger variabler Erregung für Hybridantriebe. 2010.

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