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Vergleich von synchronen Reluktanzmotoren ohne und mit Ferritmagnetunterstützung

Neusüs, Sascha (2021):
Vergleich von synchronen Reluktanzmotoren ohne und mit Ferritmagnetunterstützung. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020184,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Vergleich von synchronen Reluktanzmotoren ohne und mit Ferritmagnetunterstützung
Language: German
Abstract:

Diese Arbeit befasst sich mit der Auslegung und Vermessung von umrichtergespeisten synchronen Reluktanzmotoren ohne und mit Ferritmagnetunterstützung. Für die Auslegung des synchronen Reluktanzrotors werden sowohl direkte Methoden (auf Basis von analytisch bestimmten Dimensionierungsregeln und Parameterstudien) als auch die Mehrziel-Optimierung verwendet. Bezüglich eines hohen Leistungsfaktors, der für den Betrieb an der Spannungsgrenze des Frequenzumrichters nötig ist, führen beide Methoden auf ähnliche Rotoren. Daher wird die weniger berechnungsintensive, direkte Methode verwendet, um einen Prototyp-Reluktanzrotor für den Stator eines vorhandenen 2p = 4-poligen, mit einem Wellenlüfter oberflächengekühlten PN = 11 kW-Normasynchronmotors auszulegen. Zur Auslegung des synchronen Reluktanzrotors mit Ferritmagneten wird die Mehrziel-Optimierung genutzt, da die Parametrierung der Rotorgeometrie einfacher an die Verwendung kommerziell verfügbarer Standardmagnete angepasst werden kann. Aufgrund des Risikos der irreversiblen Entmagnetisierung der Ferritmagnete (geringe Koerzitivfeldstärke) werden insbesondere für diesen Prototyp-Reluktanzrotor numerische Berechnungen (Finite-Elemente-Methode) bei dem dreiphasigen Stoßkurzschluss durchgeführt. Im ungünstigen Fall einer niedrigen Magnettemperatur (positiver Temperaturkoeffizient der Koerzitivfeldstärke) besteht demnach sogar das Risiko, dass die Magnete in der Nähe des Luftspalts entgegengesetzt zur ursprünglichen Magnetisierungsrichtung magnetisiert werden. Als mögliche Maßnahme zur Wiederaufmagnetisierung der Ferritmagnete wird das Zuschalten eines extern angetriebenen und bereits mit Synchrondrehzahl rotierenden Motors an ein dreiphasiges Sinusnetz untersucht. Sowohl die teilweise irreversible Entmagnetisierung durch den dreiphasigen Stoßkurzschluss als auch die erfolgreiche Wiederaufmagnetisierung werden durch Messergebnisse bestätigt. Die weiteren Messungen zeigen, dass die im Bemessungspunkt (nN = 500 /min, MN = 70 Nm) bei Frequenzumrichterbetrieb gemessenen direkten Wirkungsgrade des synchronen Reluktanzmotors ohne Ferritmagnete η = 92,4 % (cos ϕ = 0,80) und mit Ferritmagneten η = 93,6 % (cos ϕ = 0,88) höher als beim ursprünglichen Käfigläufer-Asynchronmotor η = 87,5 % (cos ϕ = 0,85) sind, was auch für den teilweise irreversibel entmagnetisierten Prototyp nach dem dreiphasigen Stoßkurzschluss η = 93,2 % (cos ϕ = 0,83) zutrifft. Durch die geringere Magnetisierung sinkt für diesen Prototyp aber der Wirkungsgrad im Konstantleistungsbereich (2nN = 3000 /min und MN/2 = 35 Nm) stärker von ursprünglich η = 90,0 % (cos ϕ=0,93) auf η = 88,1 % (cos ϕ = 0,79) nach dem dreiphasigen Stoßkurzschluss, was aber deutlich höher als beim synchronen Reluktanzmotor mit η = 83,8 % (cos ϕ = 0,68) ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

This thesis deals with the design and measurement of inverter-fed synchronous reluctance motors without and with ferrite magnet assistance. For the design of the synchronous reluctance rotor, direct methods, based on analytically determined dimensioning rules and parameter studies, and the multi-objective optimization are investigated. In terms of a high power factor required to operate at the voltage limit of the frequency inverter, both methods lead to similar rotor designs. Therefore, the less computationally intensive direct method is used to design a prototype reluctance rotor for the stator of an existing 2p = 4-pole, fan-cooled, totally-enclosed PN = 11 kW standard induction motor. However, the multi-objective optimization is used to design the synchronous reluctance rotor with ferrite magnets, since the parameterization of the rotor geometry can be more easily adapted to the use of commercially available standard magnet dimensions. Due to the risk of irreversible demagnetization of the ferrite magnets (low coercive field strength), numerical calculations (finite element method) of the three-phase sudden short-circuit are carried out. Accordingly, in the worst case of low magnet temperature (positive temperature coefficient of coercive field strength), there is even a risk that the magnets near the airgap are magnetized in the opposite direction to the original magnetization direction. As a possible measure to remagnetize the ferrite magnets, the switching-on of an externally driven motor, already rotating at synchronous speed, to a three-phase sinusoidal grid is investigated. Both the partially irreversible demagnetization caused by the three-phase sudden short-circuit and the successful remagnetization are confirmed by measurement results. Further measurements show, that the directly determined efficiencies of the synchronous reluctance motors measured at the rated point (nN = 1500 rpm, MN = 70 Nm) in inverter operation are η = 92,4% (cos ϕ = 0,80) without and η = 93,6% (cos ϕ = 0,88) with ferrite magnet assistance and are higher than the efficiency of the original squirrel-cage induction motor η = 87,5% (cos ϕ = 0,85). This is also true for the partially irreversible demagnetized prototype after the three-phase sudden short-circuit η = 93,2% (cos ϕ = 0,83). However, due to the lower magnetization, the efficiency in the constant power range (2nN = 3000 rpm and MN/2 = 35 Nm) decreases for this prototype from originally η = 90,0% (cos ϕ = 0,93) to η = 88,1% (cos ϕ = 0,79) after the three-phase sudden short-circuit, which is significantly higher than for the pure synchronous reluctance motor with η = 83,8% (cos ϕ = 0,68).

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XXIV, 296 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Energy Conversion
Date Deposited: 20 Dec 2021 08:24
Last Modified: 20 Dec 2021 08:25
DOI: 10.26083/tuprints-00020184
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-201844
Referees: Binder, Prof. Dr. Andreas ; Ponick, Prof. Dr. Bernd
Date of oral examination: 14 July 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20184
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