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Antriebstechnik

Aus dem Rennsport in die Serie

| Autor/ Redakteur: Dr.-Ing. Andreas Neubauer / Ute Drescher

Mit einer neuen Motorenbaureihe ist es ATE gelungen, eine Technik aus dem Rennsport in die Serie zu überführen und so die Vorteile von AC- und DC-Motoren zu kombinieren.

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Magnetische Flussdichte neu definiert in der Synchronmotoren-Serie DCH von ATE.
Magnetische Flussdichte neu definiert in der Synchronmotoren-Serie DCH von ATE.
(Bild: ATE)

Für ATE ist die Werkzeugmaschine ein wichtiger Anwendungsbereich. Denn hier müssen herausfordernde elektrische, thermische und mechanische Anforderungen gemeinsam erfüllt werden, um ein Spitzenprodukt zu liefern. Bei der Entwicklung seiner neuen Baureihe hat der Allgäuer Elektromotorenhersteller bewusst den Fokus auf hochtourige und leistungsstarke Werkzeugmaschinen gelegt. Da die Technologie einige Vorteile bietet, lässt sie sich aber auch auf andere Einsatzbereiche übertragen.

Um hochdrehende elektrischen Maschinen zu realisieren, eignen sich verschiedene Motortopologien, die jeweils Vor- und Nachteile bieten. Die von ATE speziell optimierte Asynchronmaschine (AC) ist eine robuste Maschine, die gute Feldschwächeigenschaften bietet. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn ein großer Drehzahlbereich bei konstanter Leistung gefordert wird. Prinzipbedingt ist Entmagnetisierung des Rotors bei der AC-Maschine kein Thema, daher kann in vielen Anwendungen auf eine Vorschaltdrossel verzichtet und eine niedrige PWM-Schaltfrequenz verwendet werden. Diese Vorteile machen das Gesamtsystem robust und kostengünstig.

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Nachteilig ist jedoch im Vergleich zu einer Maschine mit Permanentmagneten die prinzipbedingt höhere Rotortemperatur, eine höhere Scheinleistung und ein tieferer Wirkungsgrad. Der sich stark erwärmende Rotor einer AC-Maschine erschwert die Lager- und Wellenauslegung hochdrehender Maschinen.

Synchronmaschine bietet hohen Wirkungsgrad

Liegt der Fokus hingegen auf einem maximalen Wirkungsgrad und ist ein im Vergleich zur AC-Maschine angepasster Feldschwächungsbereich gefordert, ist die permanentmagneterregte Synchronmaschine (DC-Baureihe von ATE) die beste Wahl. Aufgrund der im Magnet gespeicherten Energie sind niedrige Rotortemperaturen und höchste Wirkungsgrade bei einem hohen Leistungsfaktor möglich. Die Drehzahlfestigkeit wird gewährleistet, indem die Magnete durch eine Armierung aus magnetisch nicht leitfähigem Stahl, Kohlenstoff- oder Glasfaserverstärktem Kunststoff fixiert werden.

Nachteilig im Vergleich zur AC-Maschine ist der begrenzte Feldschwächbereich aufgrund der niedrigeren Motorinduktivität. Um die Feldschwächeigenschaften zu verbessern und die umrichterbedingten Zusatzverluste zu senken, wird vor allem in hochdrehenden Anwendungen eine zusätzliche Vorschaltdrossel benötigt.

Vorteile von AC- und DC-Motoren kombinieren

Mit der neuen Motorbaureihe DCH ist es den Ingenieuren von ATE gelungen, eine Technik aus dem Rennsport in die Serie zu überführen. Durch eine spezielle Magnetanordnung gelingt es, den magnetischen Fluss innerhalb des Magneten zu führen. Der sonst unverzichtbare magnetische Rückschluss im Rotor kann auf ein Minimum beschränkt werden. Es wird wertvoller Bauraum für eine Vergrößerung des Bohrungsdurchmessers der Welle gewonnen.

Die Neuentwicklung von ATE basiert auf dem Halbach-Array. Klaus Halbach, ein deutscher Physiker und Spezialist für die Entwicklung von Teilchenbeschleunigern, hat das grundlegende Prinzip schon 1980 vorgestellt. Anstatt zweier diskreter Magnetisierungsrichtungen (Nord- und Südpol), zwischen denen der Magnetfluss im Rotorrückschluss wechselt, besteht der Magnet aus mehreren Bereichen mit unterschiedlichen Feldausrichtungen. Der Magnetfluss wird in Folge schon im Magneten umgelenkt und muss nicht den Umweg über den Rotorrückschluss nehmen

Verlauf der magnetischen Feldlinien bei konventioneller Magnetanordnung (links) und Halbach-Array (rechts). Die schwarzen Pfeile verdeutlichen die Magnetisierungsrichtung.
Verlauf der magnetischen Feldlinien bei konventioneller Magnetanordnung (links) und Halbach-Array (rechts). Die schwarzen Pfeile verdeutlichen die Magnetisierungsrichtung.
(Bild: ATE)

Feldschwächeigenschaften optimiert

Die induzierte Leerlaufspannung einer PM-Maschine steigt proportional mit der Drehzahl. Überschreitet die Klemmenspannung die Zwischenkreisspannung des Umrichters, ist die natürliche Drehzahlgrenze des Motors erreicht. Eine weitere Steigerung der Drehzahl kann nur über den Feldschwächbetrieb erreicht werden. Hierzu verwendet die Ansteuerung einen Teil des eingeprägten Stromes, um das Magnetfeld des Rotors zu schwächen und die induzierte Spannung zu senken. Je stärker das Statorfeld, desto besser gelingt die Feldschwächung und höhere Drehzahlen können erreicht werden. Im idealen Fall kann das Statorfeld das Magnetfeld des Rotors vollständig kompensieren, wie die Gleichung (1) verdeutlicht.

(1) jωLs Id≙Ψmω

Aus Gleichung 1 ist ersichtlich, dass aufgrund dem aus thermischen Gründen begrenztem Längsstrom Id eine Verbesserung der Feldschwächeigenschaften nur über eine Erhöhung der Induktivität Ls erreicht werden kann. Die Höhe der Induktivität kann nicht willkürlich gewählt werden, sondern ist abhängig von dem gewählten Arbeitspunkt der Antriebsmaschine. Je höher die Betriebsfrequenz eines Elektromotors gewählt wird, desto niedriger muss die Motorinduktivität Ls und der verkettete Magnetfluss Ψm ausfallen, um die Spannungsgleichung (Gleichung 2) zu erfüllen.

(2) Us=jωLs Is+Rs Ismω

Trotz dieses grundlegenden Zusammenhanges lässt sich die Höhe der Motorinduktivität in einem begrenzten Bereich durch eine gezielte Motorauslegung beeinflussen. Nach Gleichung (3) verändert sich die Induktivität in quadratischer Abhängigkeit mit der Anzahl Windungen N. Ein Anheben des Magnetkreiswiderstands Rm, zum Beispiel über eine Vergrößerung des Luftspalts, verringert die Induktivität in invers linearer Abhängigkeit.

(3) Ls~N^2/Rm

Eine Anhebung der Windungszahl ist dementsprechend der größten Hebel zur Steigerung der Induktivität. Jedoch vergrößert sich mit dieser Maßnahme die induzierte Spannung und somit verschiebt sich die Betriebskennlinie hin zu geringeren Drehzahlen. Um diesen negativen Einfluss zu kompensieren, müssen begleitend weitere Optimierungsmaßnahmen erfolgen. Dazu zählen eine gezielte Anpassung der Nut- und Magnetgeometrie sowie eine Senkung des Phasenwiderstands durch eine optimierte Spulenanordnung.

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Platzierung der neuen Baureihe DCH

Die beschrieben Optimierungsmaßnahmen wirken sich direkt auf das Kennlinienverhalten der neuen Baureihe aus. Normalerweise hätte das reduzierte Magnetvolumen ein reduziertes Spitzenmoment zur Folge, weil der magnetische Fluss Ψm gesenkt wird. Durch die Halbach-Anordnung und dem optimierten magnetischen Kreis kann dies jedoch kompensiert werden. In Einzelfällen kann das Spitzenmoment der neuen Baureihe sogar die gewohnt hohen Werte der DC-Baureihe überbieten.

Besonders vorteilhaft ist der breite Bereich konstanter Leistung im Feldschwächbetrieb. Durch die gesteigerte Induktivität wird die Drehzahlspreizung verbessert. Weitere Maßnahmen wie ein oberwellenarmes Luftspaltfeld in Kombination mit einer Segmentierung der Magneten senken die frequenzabhängigen Stator- und Rotorverluste. Damit wird das Ziel erreicht, die Feldschwächeigenschaften der neuen Motorbaureihe zu optimieren. Die neue Baureihe DCH platziert sich somit hinsichtlich der Leistungsdichte leicht über dem Niveau der bekannten DC- Baureihe, wie Abbildung 2 verdeutlicht. Die herausragenden Feldschwächeigenschaften der AC-Baureihe werden nicht ganz erreicht, weshalb auch diese Baureihe nach wie vor in entsprechenden Anwendungen ihre Berechtigung hat.

Kennlinien verschiedener Motorbaureihen im Vergleich: DC (blau), DCH (orange) und AC (grau)
Kennlinien verschiedener Motorbaureihen im Vergleich: DC (blau), DCH (orange) und AC (grau)
(Bild: ATE)

Auch aus konstruktiver Sicht hat die neue Baureihe DCH einige Vorteile zu bieten. Die Minimierung des Rotorrückschlusses erlaubt eine Vergrößerung der Rotorbohrung. Wertvoller Bauraum für die Werkzeugaufnahme und Gestaltung der Lagerung wird gewonnen (Abbildung 3). Durch weniger Magnetmaterial wird die Fliehkraftbelastung reduziert, die notwendige CFK-Armierung kann dünner dimensioniert werden. In Kombination mit einem neu entwickeltem Montageverfahren für die Armierung ist es möglich, die Armierungsdicke im Vergleich zur DC-Baureihe um mehr als 30 % zu reduzieren. Als direkte Folge wird der magnetisch wirksame Luftspalt, eine wesentliche Größe bei der Motorauslegung, minimiert. Dies wirkt sich positiv auf die Leistungsdichte aus und kompensiert somit den aufgrund des kleineren Magnetvolumens verringerten magnetischen Fluss.

Motortopologien im Vergleich: Konventioneller Spindelmotor (links) vs. neue Baureihe (rechts)
Motortopologien im Vergleich: Konventioneller Spindelmotor (links) vs. neue Baureihe (rechts)
(Bild: ATE)

Fazit: Baureihe DCH kombiniert Vorteile der AC- und DC-Motoren

Die neue Motorbaureihe DCH bietet viele Vorteile: Ideale Feldschwächeigenschaften vergrößern die Drehzahlspreizung, ohne das Spitzenmoment zu reduzieren. Aufgrund der gesteigerten Induktivität kann in vielen Anwendungen auf eine zusätzliche Vorschaltdrossel und ein „Voltage Protection Modul (VPM)“ verzichtet werden. Ob dies gelingt, prüfen die ATE-Ingenieure von Fall zu Fall. Eine Vergrößerung des Wellendurchmessers bietet dem Anwender mehr Freiraum bei der Lagergestaltung und verbessert die Wellendynamik. Damit ist die neue Baureihe eine konsequente Weiterentwicklung der bewährten DC- Baureihe von ATE und stellt im Portfolio eine ideale Ergänzung dar.

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* Dr.-Ing. Andreas Neubauer ist Entwicklungsleiter bei der ATE GmbH & Co. KG, Leutkirch/Allgäu

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