Problemdarstellung Optimierung der Geometrie Funktionsweise der

Torsten Hering
geb. am 01.02.1976
in Dohna
Thema:
Switched Reluctance Motor als Stellantrieb
Verfasser:
Betreuer:
Dipl.-Ing. (FH) Torsten Hering
Prof. Dr.-Ing. habil. Hans Kuß (HTW-Dresden)
Dr.-Ing. Karl-Hermann Ketteler (ZF Friedrichshafen AG)
Problemdarstellung
1982-1992
POS Bad Schandau
1992-1996
Lehre zum Elektroinstallateur
1996-1997
Zivildienst
1998-1999
Fachoberschule BSZ Dresden
1999-2003
Studium Elektrotechnik HTWD (Diplom)
2003-2004
Studium Elektrotechnik HTWD (Master)
Funktionsweise der SRM
Das Prinzip der Switched Reluctance Motor (SRM) ist schon sehr lang bekannt. Nach dem
starken Entwicklungsschub auf dem Gebiet der Wechsel- und Gleichstrommaschinen kommt die
SRM verstärkt zum Einsatz. Speziell im Bereich der kostensensiblen Fahrzeugindustrie erlebt
dieser Motor zunehmend an Bedeutung. Neben dem einfachen Aufbau hat die SRM vordefinierte Rotorstellungen, die für Positionieraufgaben genutzt werden können. Im untersuchten
Fall, einem automatisierten Getriebe, wird eine Genauigkeit von 0,5 ° gefordert.
SRM können aus unterschiedlichen Pol/Zahn-Kombinationen aufgebaut sein. Dabei
sind nur an den Polen Wicklungen angebracht. Die Funktionsweise der SRM kann mit
der eines Schrittmotors verglichen werden. Mit dem zyklischen Weiterschalten der
Stränge wird der Motor in Drehung versetzt. Die Drehmomenterzeugung ist in der
unteren Prinzipskizze dargestellt.
I = 20A
0.5
Drehmoment M in [Nm]
Aufgabenstellung
Ziel dieser Masterarbeit war es eine vorhandene Reluktanzmaschine mit 8 Statorpolen und
6 Rotorzähnen für eine vorliegende Stellaufgabe zu untersuchen. Folgende Aufgaben
worden durchgeführt:
• Gewinnung der statischen Drehmomente durch Messung
• Erstellung eines FEM – Modells mittels der vorhandenen SRM
• Vergleich der Ergebnisse von Simulation und Messung
• Optimierung der vorhandenen Maschinengeometrie
und Darstellung der Ergebnisse
q – Stellung
unalined position
0.4
0.3
d – Stellung
alined position
0.2
0.1
0
0
20
40
60
80
100
Winkel γ in [°]
120
140
160
180
el
Drehmomenterzeugung
Bild 1: Prinzipielle Darstellung für die Erzeugung des Drehmomentes bei der SRM
Messung
Simulation
• Aufnahme der statischen Drehmomente
• SRM wird passiv betrieben
• geringe Drehzahl durch Schneckengetriebe
• Erstellung eines FEM – Modells mit dem Programm femm4.0
• Maschinengeometrie in einer CAD – Zeichnung dargestellt
• Erstellen von Simulationsscripten zur automatisierten
Berechnung
Messauswertung
Reluktanzmaschine
Vergleich von Simulation und Messung
• Überprüfung der Zuverlässigkeit des entstandenen
FEM – Modells
• Modell dient als Grundlage für die Optimierungsaufgabe
Bild 2: Bedienoberfläche femm4.0
I = 5A
I = 10A
I = 15A
I = 20A
I = 30A
I = 40A
1
0.006
0.004
0.8
0.6
0.8
Drehstromnetz
3~
Messtisch
Bild 4: Messaufbau zur Aufnahme der statischen Drehmomente
Messergebnisse des statischen Drehmomentes
I = 5A
I = 10A
I = 15A
I = 20A
I = 25A
I = 30A
I = 35A
I = 40A
1
Drehmoment M in [Nm]
el
FEM - Simulation der statischen Drehmomente
= 0°
= 30°
= 60°
= 90°
= 120°
= 150°
= 180°
Drehmoment M in [Nm]
Fluss ψ in [Vs]
0.008
Drehmoment M in [Nm]
ψ - i Kennlinie der vorhandenen SRM
γ
el
γ
el
γ
el
γ
el
γ
el
γ
el
γ
0.01
1
Asynchronmaschine
PowerSupply
Igem = 5A
Isim = 5A
Igem = 10A
Isim = 10A
Igem = 15A
Isim = 15A
Igem = 20A
Isim = 20A
Igem = 30A
Isim = 30A
Igem = 40A
Isim = 40A
1.2
0.012
Zeitrelais
Drehmomentvergleich Messung und Simulation (Edelstahlrotor)
Bild 3: LUA-Script zur Aufnahme der berechneten Werte
Drehmomentmesswelle
0.6
0.4
0.4
0.8
0.6
0.4
0.2
0.2
0.002
0
0
5
10
15
20
25
30
35
0
40
0.2
0
20
40
60
Strom i in [A]
80
100
Winkel γ in [°]
120
140
160
0
180
0
20
40
60
el
80
100
120
Winkel γ in [°]
140
160
0
180
0
20
40
60
80
100
Winkel γ in [°]
120
140
160
180
el
el
Optimierung der Geometrie
• Erstellung von LUA-Scripten zur schnellen Erzeugung von Maschinengeometrien
• Optimierung hat drei grundsätzliche Geometrieänderungen ergeben
1. Erhöhung des Bohrungsdurchmessers
2. Verbreiterung der Pole und Zähne
• Erhöhung des Drehmomentes
• pulsierendes Drehmoment, da max. Moment nur über
geringeren Winkelbereich konstant ist
Drehmomentverlauf bei unterschiedlichen Bohrungsdurchmesser
Drehmomentverlauf bei unterschiedlichen Bohrungsdurchmesser
1.6
Drehmomentverlauf bei unterschiedlichen Pol- und Zahnschrägungen
Drehmomentverlauf bei unterschiedlichen Pol- und Zahnbreiten
D = 25 mm
D = 28 mm
1.4
0.8
0.6
0.4
0.2
1.2
1
0.8
pulsierendes
Drehmoment
0.6
0.4
60
80
100
Winkel γ in [°]
120
140
160
180
el
0
0.8
0.6
0.4
0
30
60
90
120
150
Winkel γ in [°]
180
210
240
0
270
1
0.8
0.6
Pol = 0 mm; Zahn = 0 mm
Pol = 0,5 mm; Zahn = 0 mm
Pol = 1 mm; Zahn = 0 mm
Pol = 1 mm; Zahn = 0,5 mm
Pol = 1 mm; Zahn = 1 mm
0.4
0.2
0
0
20
40
60
el
80
100
Winkel γ in [°]
120
140
160
180
0
20
40
60
80
100
Winkel γ in [°]
120
140
160
180
el
el
Ergebnis der Arbeit
Alte Geometrie
Neue Geometrie
ψ - i Kennlinie der alten und neuen Geometrie
Drehmomentvergleich bei einer Maschinenlänge von l=50mm
1.8
0.014
Ineu = 5A
Ineu = 10A
Ineu = 20A
Ineu = 30A
Ineu = 40A
Ialt = 5A
Ialt = 10A
Ialt = 20A
Ialt = 30A
Ialt = 40A
1.6
1.4
1.2
1
γ = 0° (SRM 8/6 alt)
el
γ = 180° (SRM 8/6 alt)
el
γ = 0° (SRM 8/6 neu)
el
γ = 180° (SRM 8/6 neu)
0.012
el
0.01
Fluss ψ in [Vs]
40
Drehmoment M in [Nm]
20
1
0.2
0.2
0
1.2
Drehmoment M in [Nm]
1
b = 5,7 mm
b = 6 mm
b = 6,2 mm
1.2
Drehmoment M in [Nm]
1.2
Drehmoment M in [Nm]
Drehmoment M in [Nm]
• Sättigungsverhalten der Maschine verbessert
• Weitere Verringerung des pulsierenden
Drehmomentes
1.6
D = 25 mm
D = 26 mm
D = 27 mm
D = 28 mm
1.4
0
3. Veränderung der Pol- und Zahngeometrie
• Verringerung des pulsierenden Drehmomentes bei
gleichem Bohrungsdurchmesser
• Vergrößerung des nutzbaren Winkelbereiches
0.8
0.6
0.008
0.006
0.004
0.4
0.002
0.2
0
0
20
40
60
80
100
Winkel γ el in [°]
120
140
160
180
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Strom i in [A]
1. Steigerung des Drehmomentes um ca. 40 % bei gleicher Baugröße
2. Materialeinsparung am Statorblech um ca. 50 %
3. Durch Radiusvergrößerung in den Nuten wird gleiche Fläche
für Wicklungen erreicht