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Motoren und Generatoren

Permanentmagnetisch erregte elektrische Maschinen
Für die Steigerung von Wirkungsgrad und Energieeffizienz gewinnen mit Permanent-magneten erregte elektrische Maschinen immer mehr an Bedeutung. Allerdings lassen sich die Eigenschaften nicht mehr ausschließlich mit klassischen analytischen Methoden berechnen bzw. simulieren. Der Einsatz von Softwaretools auf Basis der Finite Elemente Methode (FEM) ist daher sinnvoll. Denn so kann das Verhalten nichtliniearer Materialien, insbesondere bei komplizierten Blechschnitten und bei Sättigung, richtig ermittelt und bezüglich der gewünschten Maschineneigenschaften optimiert werden.

Die Simulation des magnetischen Feldes am Anfang eines Entwicklungsprozesses ist unumgänglich, um eine gute Auslegung des magnetischen Kreises sicherzustellen. In diesem Schritt werden neben einer idealen Auslastung der verwendeten Materialien auch wichtige Eigenschaften wie z.B. die induzierte Spannung in Abhängigkeit der Rotorposition ermittelt.

Innenläufer mit 6 Nuten und
8 Oberflächenmagneten

  • Beispielhafte Simulation und Auslegung

    Berechnung der Induktionsverteilung und der Entmagnetisierung
    Im abgebildeten Beispiel fällt auf, dass die Statorzähne bei bestimmten Rotorpositionen zu stark gesättigt werden. Folgerichtig müssen die Statorzähne verbreitet werden, um dies zu vermeiden. Außerdem ist zu sehen, dass für die Magnete keine Gefahr der Entmagnetisierung besteht.

    Rastmoment/Drehmomentverlauf/elektrische Kenndaten
    Aus der Verwendung von Permanentmagneten ergeben sich bei genuteten Blechschnitten Rastmomente, die je nach Anwendung erwünscht oder unerwünscht sind. Verlauf und Maximum des Rastmoments werden durch die Materialeigenschaften und die Geometrie bestimmt. Aufgrund der Pol-/Nutkombination ergibt sich in folgendem Beispiel eine Rastmomentperiode von 30°.

    Verlauf des Rastmoments
    Verlauf des Drehmoments

    Um das Rastmoment zu reduzieren, bieten sich Veränderungen an verschiedenen Stellen in der Geometrie an. Damit sind allerdings auch Veränderungen der induzierten Spannung und ihrer Harmonischen verbunden, die entsprechend bewertet werde müssen.

    Oberwellen (Harmonische) der induzierten Spannung
    Verlauf der induzierten Spannung

    Zusätzliche Auswertungen
    Weitere Berechnungen und Beurteilungen im Zeitbereich, z. B. mit einer PWM-gesteuerten Motorspannung, runden das Simulations-modell ab. In den folgenden Abbildungen ist das dynamische Motorverhalten im Anlauf mit Darstellung von Drehzahl. Drehmoment und Phasenströmen über die Rotorposition bzw. Zeit simuliert.

    Verlauf der Drehzahl
    Verlauf des Drehmoments
    Verlauf der Phasenströme
  • Designbeispiele für PM-Synchronmotoren und -gereratoren

    Innenläufermotor

    Innenläufer werden eingesetzt, wenn große Geschwindigkeitsbereiche mi großer Dynamik gefragt sind und der Motor in einer hohen Schutzklasse ausgeführt werden soll.

    Einige typische Anwendungen hierfür sind Servomotoren, Stellantriebe in der Automatisierung und in der Verpackungstechnik.


    mit 15 Nuten und 14 Oberflächenmagneten

     

     


    mit 6 Nuten und 4 eingebetteten Magneten
    mit 15 Nuten und 14 eingebetteten Magneten "Speichendesign"

     

     

    Außenläufermotor

    Ein Außenläufer ist die geeignete Wahl für langsam laufende Antriebe mit höchsten Anforderungen an das Drehmoment.

    Sie verfügen über eine gute Drehzahlkonstanz, die durch das größere Trägheitsmoment bedingt ist. Sie eignen sich auch überall dort, wo der Rotor direkt als Antrieb genutzt werden kann, wie es beispielsweise bei Lüftern und Pumpen üblich ist.

    mit 9 Nuten und12-poligem Ringmagnet

     

     

    mit 9 Nuten und8 Blockmagneten

    Linearmotor

    Ein Linearmotor wird eingesetzt, wenn eine transversale Bewegung ohne Getriebeelemente zur Erzielung großer Stellgenauigkeit und hoher Stellgeschwindigkeit gewünscht wird.

    Durch die Kombination von zwei Achsen lassen sich damit beliebige Bewegungen in einer Ebene leicht verwirklichen. Man findet Linearantrieb daher meist in der Automatisierungstechnik.


    mit 6 Nuten und n Magneten

    Einphasiger Motor

    Der Einphasige Motor mit 2-poligem Ringmagnet wird meist als Reluktanzmotor verwendet.

    Er ist daher für Antriebe mit nur einer Drehrichtung geeignet, die nur ein geringes Anlaufmoment überwinden sollen. Typische Anwendungen sind Lüfter für Elektronik-Kühlung und Aquarium-Pumpen.


    mit 2-poligem Ringmagnet
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