HTW Dresden Arbeitsgruppe Elektrische Maschinen an der
Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH)





       
 

Aktuelle Projekte:


       
 

Hochtourige Motoren mittlerer bis großer Leistungen



Projektleiter:


Prof. Dr.-Ing. habil. H. Kuß
Bearbeiter:
M.Sc. Pierre Köhring (gleichzeitig Doktorand auf diesem Gebiet)
M.Sc. Torsten Wichert
Kooperationspartner:
AKH Antriebstechnik KATT Hessen GmbH
http://www.katt-motoren.de
Förderstelle:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
AiF "Otto von Guericke" e.V.

Kurzfassung

Die Fortschritte von Leistungselektronik und Frequenzumrichtertechnik machen eine neue Antriebstechnik mit hohen Drehzahlen ohne Zahnradgetriebe möglich. Die hierfür zu entwickelnden Drehstrommotoren haben entsprechend hohe Leistungsdichten und niedrige Leistungsgewichte. Hochtourige elektrische Antriebe können in vielen Bereichen der Industrie gewinnbringend eingesetzt werden. Sie sind beispielsweise geeignet für den direkten Antrieb hochtouriger Arbeitsmaschinen, wie Turboverdichter, Werkzeugmaschinen (Spindelantriebe) und ferner für den untersetzten Antrieb von Elektrofahrzeugen. Darüber hinaus besteht ein beachtlicher Bedarf an Sondermotoren für Prüfstände der Automobil- und Getriebeindustrie mit Drehmomenten von 1000 … 6000 Nm und maximalen Drehzahlen von 4500 … 11000 U/min. Ziel der Entwicklung ist es, die gewünschte Leistung mit hoher Drehzahl und kleinem Drehmoment zur Verfügung zu stellen; dies bewirkt gegenüber niedertourigen Maschinen Vorteile hinsichtlich Volumen und Gewicht, und damit auch hinsichtlich der Kosten. Bei der Realisierung müssen viele verschiedene technische Randbedingungen berücksichtigt bzw. untersucht werden. Beispiele sind:    

  • Fliehkraftbeanspruchung,

  • Lagertechnik,

  • Geräusche,

  • Zusatzverluste auf Grund hoher Frequenzen,

  • biegekritische Drehzahlen, etc.


FEM mech
Bild: Untersuchung zur Kerbwirkung bei Rechtecknuten im Läufer mit Hilfe der FEM

 

Im Gegensatz zu Turbogeneratoren oder Verdichtern erwartet man von Belastungsmaschinen für die Untersuchung von Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen bzw. von Antriebsmaschinen von Getriebeprüfständen ein relativ großes Feldstellverhältnis, meist größer 1:3. Was bedeutet, dass die maximale Leistung nicht nur bei der Maximaldrehzahl, sondern auch bei der Bemessungsdrehzahl erreicht wird. Da diese Drehzahl um das Feldstellverhältnis kleiner ist, muss das Drehmoment um das Feldstellverhältnis größer sein. Der maximale Drehschub wird also bei der Bemessungsdrehzahl verlangt. Er ergibt sich aus dem Quotient von Kraft und aktiver Luftspaltfläche und bezeichnet die elektromagnetische und somit die thermische Ausnutzung einer elektrischen Maschine.
Das erzielbare Drehmoment ist allein von Innendurchmesser und Luftspaltlänge der Maschine abhängig. Wobei der Außendurchmesser durch die maximal zulässigen Fliehkräfte eingeschränkt wird. Der andere Freiheitsgrad, namentlich die Luftspaltlänge, erfährt seine Begrenzung durch die biegekritische Drehzahl des Rotors. Für hochtourige Maschinen, wie Verdichter oder Turbogeneratoren, kann die Betriebsdrehzahl über der ersten biegekritischen Drehzahl liegen, da diese nur kurz und ohne Belastung durchfahren wird. Bei Prüfstandsantrieben besteht jedoch die Forderung, keine Biegekritische im Betriebsdrehzahlbereich zu haben, um beispielsweise einen Verbrennungsmotor oder ein Schaltgetriebe bei jeder beliebigen Drehzahl zu untersuchen.
Zusammenfassend ist also die Maschine thermisch maximal auszunutzen, um das entsprechende Drehmoment zu erreichen, die Abmessungen der Bohrung müssen hierbei möglichst klein sein, um eine möglichst hohe Maximaldrehzahl zulassen zu können.