Sensorlose Regelung von Permanentmagnet-Außenläufer

In den letzten Jahren gewannen die Permanentmagnet-erregten Synchronmaschinen aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer kompakten Bauweise vor allem im unteren und mittleren Leistungsbereich immer mehr an Bedeutung. In Anwendungen mit hoher Drehzahl- aber mittlerer Positioniergenauigkeit können mathematische Modelle zur Rotorlageerfassung verwendet werden. Sensorlose Positionserfassung weist im Vergleich zu Systemen mit Lagegebern oder Tachogeneratoren eine Menge an Vorteilen auf, wie etwa hohe Kosten- und Platzeinsparungen bei erhöhtem Leistungsgewicht und erhöhter Robustheit. In vielen Anwendungsfeldern wie Traktion, Rollen- und Direktantrieben, oder auch Startergeneratoren wird ein hohes Moment gefordert. Außenläufermotoren erzeugen im Vergleich zu normalen Motoren bei gleichem Bauvolumen aufgrund des größeren Luftspaltradius (Statorwicklung innen) eine höhere tangentiale Kraftkomponente im Luftspalt (linear mit dem Radius) und folglich ein erhöhtes Moment (quadratisch mit dem Radius). Das Ziel des Projektes ist es die Vorteile zu vereinigen, also einen Permanent-erregten Synchronaußenläufer mit entsprechender INFORM-Tauglichkeit ("Indirekte Flusserfassung durch Online Reaktanz Messung") für niedrige Drehzahlen und Stillstand zu entwickeln. Beim INFORM-Verfahren werden die magnetischen Eigenschaften der Maschine ausgewertet. Für hohe Drehzahlen soll ein EMK-basiertes Modell verwendet werden. Um das entsprechende für das INFORM-Verfahren notwendige magnetische Verhalten (Achsigkeit) der Maschine zu erreichen ist ein iterativer Zyklus aus 2D-Feldberechnung und Simulation und einer laufenden Änderung und Optimierung der geometrischen Parameter des Maschinenquerschnitts notwendig. Nach Messungen am Prototypen kann das verwendete Modell verifiziert und eine verbesserte Maschine konstruiert werden. Danach kann die feldorientierte Regelung und die sensorlose Lageerfassung implementiert und entsprechend verschiedenen Kriterien optimiert werden. Das Ergebnis ist die Realisierung eines hochdynamischen, sensorlosen, robusten Außenläufer - Permanentmagnet - Synchronmaschinen Antriebs mit höchstem Wirkungsgrad und bestmöglicher Momentenausbeute.

Antriebe mit permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) haben in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Dies liegt neben dem hohen Wirkungsgrad und ihrer kompakten Bauweise auch an den fallenden Preisen der Seltenerdmagnetmaterialien Neodym-Eisen-Bor und Samarium-Cobalt. Darüber hinaus erweist sich die feldorientierte Regelung dieses Maschinetyps als sehr einfach im Unterschied zur Asynchronmaschine. Um eine möglichst hohe Drehmomentausbeute, welche in vielen Anwendungsfeldern wie etwa Traktion, Direktantrieben oder Automotive gefordert wird, zu erzielen, bietet sich die Außenläuferausführung wegen des größeren Luftspaltradius bei gleicher Baugröße (innen liegenden Statorwicklung) an. Für hochdynamische Antriebe wird im gesamten Drehzahlbereich ein mechanischer Winkelsensor benötigt. Um die Baugröße, Kosten und Ausfallswahrscheinlichkeit des Antriebs zu reduzieren wurde in den letzten 15 Jahren versucht, diesen Sensor durch rein elektrische Messungen zu ersetzen. Im Hochdrehzahlbereich sind schon länger zahlreiche EMK-basierte Modelle im industriellen Einsatz, bei niedrigen Drehzahlen muss allerdings auf so genannte Injektionsverfahren zurückgegriffen werden, welche im Moment als einzige Möglichkeit gelten um Drehstrommaschinen selbst bei niedrigen Frequenzen und Stillstand ohne mechanischen Sensor zu regeln. Das im Rahmen des Forschungsprojekts verwendete INFORM-Verfahren (INFORM = Indirect Flux Detection by Online Reactance Measurement) ist dieser Kategorie zuzuordnen. Bei Injektionsverfahren werden Unsymmetrien der Maschine ausgewertet, bei einer PMSM ist dies die magnetische Anisotropie zufolge der geometrischen Achsigkeit und zufolge der von den Permanentmagneten hervorgerufenen lokalen Sättigung von Statorzähnen und Rotorjoch. Im Zuge des Projekts wurde untersucht, wie die Rotorgeometrie einer permanentmagneterregten Synchronmaschine in Außenläuferbauform beschaffen sein muss, um eine möglichst hohe Tauglichkeit für Injektionsmethoden zu erzielen. Hierfür wurden Gütekriterien definiert und ein Finite-Elemente basiertes Simulationstool entwickelt. Die am besten geeigneten Rotorgeometrien wurden gefertigt und zur Verifikation der Simulation herangezogen, wodurch nun ein Wergzeug zur Verfügung steht, mit dem a priori Aussagen über die INFORM-Tauglichkeit getroffen werden können. Neben der Rotorgeometrie wurde auch die Mess- und Auswertealgorithmen für das INFORM-Verfahren optimiert, sodass durch Kombination mit einem EMK-basierten Modell zur Winkelerfassung bei hohen Drehzahlen ein hochdynamischer, robuster Außenläufer-Permanentmagnet-Synchronmaschinenantrieb mit höchstem Wirkungsgrad und bestmöglicher Momentenausbeute realisiert werden konnte.