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An der HS Landshut wird eine Axialflussmaschine entwickelt, deren Eisenkreis aus einzelnen U-Jochen zusammengesetzt ist. Das ermöglicht eine modulare und einfach skalierbare Bauweise. Es werden lediglich planare Grundelemente für Rotorscheibe und Statorgrundplatte benötigt. Die als "AxMDM" bezeichnete Maschine kommt mit relativ wenig Permanentmagnetmaterial aus und erreicht ein hohes spezifisches Drehmoment bezogen auf ihr Gewicht.
Schwerpunkt des vorliegenden Berichtes ist die Verbesserung des erzielbaren Drehmomentes und des Betriebsverhaltens im Grunddrehzahl- und Feldschwächbereich. Nach einer ausführlichen Messdatenanalyse und einem Modellabgleich erfolgt eine schrittweise Untersuchung des Optimierungspotentials auf Basis von Simulationsrechnungen. Neben den Material- und Drehmomentdaten wird auch die jeweils erzielbare Leistungskurve unter Einsatz einer drehmomentoptimalen Steuerstrategie bestimmt. Für eine abschließende Bewertung des Maschinenkonzeptes wird ein direkter Vergleich zu einer Radialflussmaschine mit nahezu gleichem Bauraum- und Materialbedarf durchgeführt.
Zur Auslegung von elektrischen Antrieben, zur Reglerentwicklung und zum Test von Verfahren zur Pulsmustererzeugung benötigt man Simulationsmodelle elektrischer Maschinen. Im vorliegenden Bericht werden die zur Modellbildung eines frei parametrierbaren PMSM-Maschinenmodells ausgeführten Rechnungen und Vorarbeiten sowie die Umsetzung in ein Matlab/Simulinkmodell beschrieben. Besonderheit ist, dass die Modellierung nicht als Grundwellenmodell im dq-System erfolgt, sondern ohne Raumzeigertransformation direkt im uvw-System. Dadurch entfallen entsprechende Einschränkungen, und die Verläufe der EMK sowie der Eigen- und Koppelinduktivitäten sind frei definierbar. Andererseits wird dadurch die Modellbildung erheblich komplexer, und es sind umfangreiche Vorüberlegungen zur Bestimmung des Synchron- und Reaktionsmomentes erforderlich. Das abschließend vorgestellte Simulinkmodell erlaubt die Simulation eines kompletten Antriebes inklusive Vektorregelung, Pulsmustererzeugung, Wechselrichter sowie Maschine und Sensorik.
Optimierung des Systemverhaltens eines Axialflussmaschinenantriebs durch Rotorgeometrieanpassung
(2020)
Axialflussmaschinen bieten mit ihrer planaren Geometrie die Möglichkeit, ein einfach herstellbares und gut skalierbares Maschinenkonzept zu realisieren, das gleichzeitig eine hohe Drehmomentausbeute bei kompakter Bauweise ermöglicht. Gerade bei geringen Stückzahlen und speziellen Einsatzgebieten, die eine Anpassentwicklung erfordern, ist das von Vorteil. An der Hochschule Landshut wurde in diesem Kontext ein neues Maschinenkonzept mit dem Namen „AxMDM“ entwickelt und patentiert. Besonderheit ist der Einsatz von U-Kernblechen für den Statoreisenkreis, was einen modularen und leicht skalierbaren Aufbau ermöglicht. Durch Anpassung der Geometrie des scheibenförmigen Rotors kann darüber hinaus das Betriebsverhalten des Antriebssystems optimiert werden, so zum Beispiel in Bezug auf gute Feldschwächbarkeit, den Einsatz als langsamdrehender Direktantrieb mit hohem spezifischen Drehmoment oder als schnelldrehende Variante, wobei jeweils entsprechende Vor- und Nachteile abzuwägen und Steuerverfahren bzw. die Reglerkonfiguration anzupassen sind.
In Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeugen werden Traktionsbatterie und Brennstoffzelle über einen DCDC-Wandler an das Hochvoltbordnetz angebunden, um die Bordnetzspannung zu stabilisieren und das gewünschte Spannungsniveau einzustellen, typischer Weise 800 V. Um die passiven Komponenten (Drossel, Kondensator) entsprechend leicht und kompakt gestalten zu können, sind möglichst hohe Schaltfrequenzen des DCDC-Wandlers notwendig. Gleiches gilt für den elektrischen Turbokompressor, welcher für Brennstoffzellen benötigt wird – hier muss der speisende Inverter besondere Anforderungen erfüllen, z.B. einen sehr niedrigen Stromripple.
Die idealer Weise erforderlichen Schaltfrequenzen von über 300 kHz sind derzeit nur mit GaN-Transistoren umsetzbar. Das Spannungsfenster im Hochvoltbordnetz reicht aktuell bis 800 Volt, GaN-Transistoren sind derzeit allerdings nur für Sperrspannungen bis 650 Volt auf dem Markt verfügbar. Aufgrund dessen ist der Einsatz einer 3-LevelTopologie notwendig, welche des Weiteren Vorteile hinsichtlich EMV bietet. Jedoch stellt dies höhere Anforderungen an Schaltungstopologie und Schaltungsträgerlayout als bei einer vergleichbaren, standardmäßig eingesetzten 2-Leveltopologie mit 1200 V-Halbleitern.