Permanentmagneterregte Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung und massivem Rotorjoch für getriebelose Offshore-Windenergieanlagen

Diese Arbeit befasst sich mit drehmomentstarken permanentmagneterregten Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung und massivem, elektrisch leitfähigem Rotorjoch. Konkret wird für eine getriebelose Offshore-Windenergieanlage mit einer Bemessungsleistung von 8 MW bei einer Drehzahl von 10,2/min der Einsatz von Zahnspulenwicklungen im Vergleich zu einer verteilten Einschichtwicklung untersucht. Die insbesondere bei Zahnspulenwicklungen auftretenden Statorluftspaltfeldharmonischen induzieren das massive Rotorjoch und führen zu Rotorwirbelstromverlusten, die im Rahmen des Maschinenvergleichs analytisch mit konstanten Ersatzmaterialparametern berechnet werden. Der Vergleich zwischen der verteilten Einschichtwicklung und zwei ausgewählten Zahnspulenwicklungen wird anhand von numerisch optimierten Maschinenentwürfen mit vorgegebenem Bauraum durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass die beiden betrachteten Zahnspulenwicklungen aufgrund des geringeren Arbeitswellenwicklungsfaktors und wegen ihrer signifikanten Statorfeldharmonischen stets einen geringeren Wirkungsgrad und einen kleineren Grundschwingungsleistungsfaktor als die verteilte Wicklung bei gleichem Magnetmaterialeinsatz aufweisen. Für eine Magnetmasse von 4300 kg erreichen die Zahnspulenwicklungen abhängig von der gewählten Lochzahl einen um 1,1 bis 2,2 Prozentpunkte geringeren Wirkungsgrad im Bemessungspunkt als die verteilte Einschichtwicklung mit einem Wirkungsgrad von 94,4 %. Die Zweckmäßigkeit der angewendeten Berechnungs- und Auslegungsmethoden wird durch die Auslegung, den Bau und die Vermessung einer gegenüber den Windgeneratoren stark verkleinerten Prototypmaschine mit einem Bemessungsdrehmoment von 2800 Nm erbracht.

This thesis deals with high-torque permanent magnet synchronous machines with tooth-coil windings and a solid, electrically conductive rotor yoke. This combination is investigated for a gearless offshore wind turbine with a rated power of 8 MW at a speed of 10.2/min and is compared to a distributed single-layer winding. Harmonics of the stator air gap field, especially occuring with tooth-coil windings, induce the massive rotor yoke and lead to rotor eddy current losses. In the comparison of the distributed single layer winding with two preselected tooth-coil windings the rotor eddy currents are analytically calculated using constant material parameters. The comparison is carried out for numerically optimized machine designs with given outer dimensions. Since tooth-coil windings have a lower winding factor of the operating wave and significant stator field harmonics, the designs with tooth-coil windings achieve a lower efficiency and a lower fundamental power factor compared to a machine with a distributed winding and equal magnet mass. For a magnet mass of 4300 kg the efficiency at nominal operation is 1.1 to 2.2 percentage points lower depending on the number of slots per pole and phase compared to a distributed winding with an efficiency of 94.4 %. Evidence for the practicality and accuracy of the used calculation and design methods is provided by the design, construction and measurement of a downsized prototype machine with a rated torque of 2800 Nm.