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Entwurf und Optimierung von Antrieben mit Switched Reluctance Machines (SRMs)

Kurzfassung

Die Funktionsweise der geschalteten Reluktanzmaschine (engl: Switched Reluctance Machine) beruht auf der  Kraftwirkung auf Eisen in einem Magnetfeld. Das Konzept der SRM ist schon seit Anfang des 19. Jahrhunderts bekannt,   doch nur die rasante Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter und der Mikroelektronik sowie ihre Integration in der Antriebstechnik haben die beachtlichen Entwicklungsfortschritte von Antrieben mit geschalteten Reluktanzmaschinen möglich gemacht. Heute kann der Entwickler, je nach Anwendung, aus einer Vielzahl unterschiedlicher Stromrichtervarianten wählen. Für die Regelung stehen leistungsfähige Mikrocontroller und digitale   Signalprozessoren zur Verfügung.

Der Aufbau einer SRM zeichnet sich durch ausgeprägte Zähne in Stator und Rotor aus, wobei die Erregerwicklungen auf die Statorzähne aufgeschoben werden können. Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl der Zähne im Stator und im Rotor kann durch rotorlageabhängige Bestromung der Statorspulen ein kontinuierliches Drehmoment erzeugt werden.
Durch den schleifringlosen, einfachen Aufbau erfüllt die geschaltete Reluktanzmaschine die Forderungen nach Robustheit und besonders nach niedrigen Fertigungskosten in der Serienproduktion. Zudem legen ein hohes Leistungsgewicht, günstige Notlaufeigenschaften, ein hohes Anfahrmoment und ein großer Drehzahlstellbereich den Einsatz als Elektrofahrzeugantrieb nahe. Dementgegen stehen, beim derzeitigen Stand der Entwicklung, eine oft noch geringere Ausnutzung und größere Drehmomentwelligkeit im Vergleich zu herkömmlichen Drehfeldmaschinen. Außerdem tritt, besonders bei einfachen Prototypen, eine stärkere Schallabstrahlung auf.

Die genannten Nachteile sind für die meisten Anwendungen nicht akzeptabel. Gegenstand der Forschungsaktivitäten ist daher die Untersuchung und Verbesserung der Leistungsfähigkeit sowie das Geräuschverhalten dieses Maschinentyps.

Antriebe mit Reluktanzmaschinen sind in ihrer Funktionsweise nicht mit Gleichstrom- oder Drehfeldmaschinen vergleichbar. Durch die ausgeprägte Stator- und Rotornutung sowie durch die für eine gute Ausnutzung erforderliche Sättigung des ferromagnetischen Materials ist die Flussverkettung und das elektromagnetische Drehmoment eine stark nichtlineare Funktion der Läuferposition und  des Strangstromes. Der Induktionsverlauf ist wegen der nichtsinusförmigen Stromspeisung ebenfalls nicht sinusförmig.

Bild: Drehmoment vs. Rotorposition, Parameter Strom

Die antriebstechnischen Eigenschaften sowie die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit des Antriebs werden sowohl vom für den Betrieb notwendigen Stromrichter als auch von der Maschine bestimmt.

Der Entwurfsprozess einer Reluktanzmaschine geht von der technischen Aufgabenstellung aus. Es sind Angaben über Drehzahl, Drehmoment sowie Betriebsbereich (Maximaldrehzahl, Spitzendrehmoment u.s.w.) erforderlich. Welche Optimierungsziele bei der Auslegung verfolgt werden sollen, bestimmt ebenfalls die geplante Anwendung des Antriebs. Nach einer Wichtung der Betriebseigenschaften wie Wirkungsgrad, Ausnutzung, Drehmomentwelligkeit oder Geräuschentwicklung kann die Auslegung des Antriebs stattfinden. Es ist erforderlich, jeweils die Maschinenauslegung, die Stromrichterschaltung und die Regelstrategie gleichzeitig zu berücksichtigen. Anders als bei Drehfeldmaschinen muss für jede Anwendung die Phasen- und Polpaarzahl neu festgelegt werden. Eine niedrige Drehmomentwelligkeit zum Beispiel kann durch einen angepassten Blechquerschnitt und durch die Regelstrategie erzielt werden. Im Hinblick auf den Wirkungsgrad sind Regelstrategie und Formgebung der Bleche aufeinander abzustimmen.  

In der Gestaltungsphase des Antriebes kann die Erfüllung der technischen Aufgabenstellung mit Hilfe geeigneter Simulationsmodelle überprüft werden, ohne dass ein Versuchsmuster hergestellt werden muss. Dieses Vorgehen empfiehlt sich, weil die Herstellung, Erprobung und Änderung von Prototypen einen erheblichen Kosten- und Zeitaufwand darstellt. Auch bei der Auslegung des Reluktanzantriebes ist es wichtig, den Kostenfaktor im Auge zu behalten, um nicht bei einer Verbesserung der Betriebseigenschaften durch die Verwendung teurer Materialien oder aufwendiger Blechschnitte den größten Vorteil dieser Technologie zu verspielen.   

Im Rahmen des Forschungsprojektes gilt es, Antriebe mit geschalteten Reluktanzmaschinen durch die Untersuchung und geziehlte Ausnutzung innerer Erscheinungen der Maschine zu optimieren. Die Forschungsschwerpunkte sind dabei:

• Grundlagenuntersuchungen zu speziellen inneren Erscheinungen der SRM (Sättigung, Eisenverluste, Oberwellen, ...)

• Untersuchung des Einflusses der Sättigung auf das Betriebsverhalten und die Ausnutzung von Maschine und Stromrichter

• Entwicklung und Anwendung moderner und effektiver Entwurfs-, Berechnungs- und Simulationswerkzeuge

• Definition grundsätzlicher Entwurfsprinzipien für High-Speed und High-Torque-Anwendungen auf der Basis neu gewonnener Erkenntnisse

• Untersuchung des Einflusses verschiedener Stromformen und Steueralgorithmen auf das Betriebsverhalten des Antriebs

• Entwicklung eines SRM-Prototypen mit optimierter Magnetkreisgeometrie