Modellierung, Simulation und Optimierung von Reluktanzsynchronmotoren im unteren Leistungsbereich

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Fock, Carl-Henrik 1977- (VerfasserIn)
Format: Abschlussarbeit Buch
Sprache:German
Veröffentlicht: Düren Shaker Verlag 2020
Schriftenreihe:Kaiserslauterer Beiträge zur Antriebstechnik 18
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adam_text INHALTSVERZEICHNIS VERWENDETE SYMBOLE UND ABKUERZUNGEN VII 1. EINLEITUNG 1 1.1. MOTIVATION UND ZIELSETZUNG .......................................................... 2 1.2. AUFBAU DER ARBEIT ......................................................................... 3 2. ENTWICKLUNG UND EINSATZGEBIETE VON RELUKTANZSYNCHRONMOTOREN 5 3. AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE VON RELUKTANZSYNCHRONMOTOREN 9 3.1. STAENDER- UND LAEUFERDESIGN ............................................................. 11 3.1.1. STAENDER DESIGN ...................................................................... 11 3.1.2. LAEUFER DESIGN ...................................................................... 11 3.2. FUNKTIONSWEISE ............................................................................... 13 3.3. FELDORIENTIERTE REGELUNG DES RELUKTANZSYNCHRONMOTORS ............ 14 4. FEM-GESTUETZTE AUSLEGUNG DES R-SYM 17 4.1. FINITE ELEMENTE METHODE ............................................................. 17 4.1.1. FEM-GRUNDGLEICHUNGEN ................................................... 17 4.1.2. FEM-SOFTWARE ................................................................... 18 4.1.3. AUFBAU DES FEM-MODELLS ................................................ 19 4.2. AUSLEGUNGSRANDBEDINGUNGEN .......................................................... 20 4.2.1. FESTLEGUNG DES BASISMOTORS ............................................. 20 4.2.2. VERLUSTBETRACHTUNG UND ZIELFUNKTION .............................. 20 4.2.3. DEFINITION DER ZIELFUNKTION ................................................ 21 4.2.3.1. WIRKUNGSGRAD .................................................... 21 4.2.3.2. DREHMOMENTWELLIGKEIT ....................................... 22 4.3. GEOMETRIE-VARIATION ...................................................................... 23 4.3.1. VARIATIONSPARAMETER .......................................................... 23 4.3.2. OPTIMIERUNGSALGORITHMUS ................................................. 25 4.3.3. ANWENDUNG DER NUTZAHLBEDINGUNG ................................. 26 4.3.4. BEWERTUNG DER PARAMETERSTUDIEN .................................... 27 4.4. DREHMOMENTWELLIGKEIT ................................................................... 29 4.5. OPTIMALE ID-, I Q -EINPRAEGUNG .......................................................... 30 INHALTSVERZEICHNIS 4.6. WICKLUNGSAUSLEGUNG ...................................................................... 31 4.6.1. GANZLOCHWICKLUNG ............................................................. 31 4.6.1.1. EINSCHICHT-GLW ................................................. 31 4.6.1.2. ZWEISCHICHT-GLW .............................................. 35 4.6.1.3. VERGLEICH EINSCHICHT-GLW VS. ZWEISCHICHT-GLW 37 4.6.2. BRUCHLOCHWICKLUNG ............................................................. 38 4.6.2.1. GEOMETRIE VARIATION BEI DER BLW ..................... 39 4.6.2.2. EINFLUSS DER STAFFELUNG DES LAEUFERBLECHPAKETES (BLW) ................................................................ 41 4.6.3. VERGLEICH EINSCHICHT-GLW VS. EINSCHICHT-BLW ............ 42 4.7. SONDERDESIGN UND MODIFIKATIONEN ................................................. 43 4.7.1. SONDERDESIGN ...................................................................... 43 4.7.2. MODIFIKATIONEN ................................................................... 44 4.7.2.1. EINFLUSS DER FLUSSSPERRENENDEN ......................... 44 4.7.2.2. EINFLUSS VON RADIALEN RIPPEN ............................ 45 4.7.2.3. EINFLUSS VON VERRUNDUNGEN ............................... 47 4.8. FEM-SIMULATION ............................................................................ 48 4.8.1. FELDLINIEN ............................................................................ 48 4.8.2. VERTEILUNG DER FLUSSDICHTEN IM MOTOR ............................. 49 4.8.3. LUFTSPALTINDUKTION ............................................................. 49 4.8.4. INDUKTIVITAETEN ................................................................... 50 4.8.5. UMMAGNETISIERUNGSVERLUSTE .............................................. 52 4.8.5.1. METHODEN DER UMMAGNETISIERUNGSVERLUSTBETRACH TUNG ...................................................... 52 4.8.5.2. EINFLUSS DER FERTIGUNGSMETHODEN ..................... 53 4.8.5.3. SIMULATION DER UMMAGNETISIERUNGSVERLUSTE IN ANSYS MAXWELL ................................................. 53 5. ANALYTISCHE MODELLIERUNG UND SIMULATION DES STATIONAEREN BETRIEBSVER HALTENS 57 5.1. ANALYTISCHE MODELLIERUNG ............................................................. 57 5.1.1. ELEKTROMAGNETISCHES GRUNDWELLENMODELL ........................ 58 5.1.1.1. LAEUFERACHSENDEFINITION ........................................ 59 5.1.1.2. FELDERREGERKURVE ................................................. 60 5.1.1.3. FIKTIVER LUFT SPALT .............................................. 60 5.1.2. MAGNETISCHER KREIS ............................................................. 62 5.1.2.1. MAGNETISCHES ERSATZSCHALTBILD ......................... 62 5.1.2.2. VIRTUELLE STAENDERNUTEN ..................................... 63 5.1.2.3. MASCHENSTROMVERFAHREN ..................................... 65 5.1.2.4. AUFSTELLUNG DES GLEICHUNGSSYSTEMS ................... 66 II INHALTSVERZEICHNIS 5.1.2.5. ITERATIONSVERFAHREN .............................................. 68 5.1.3. AUSWERTUNG DES GLEICHUNGSSYSTEMS ................................. 70 5.1.3.1. BERECHNUNG DER LUFTSPALTINDUKTION .................. 70 5.1.3.2. FLUSSVERKETTUNGEN IN DER D- UND Q-ACHSE ... 71 5.1.4. PARAMETERDEFINITION .......................................................... 71 5.1.4.1. STRANGWINDUNGSZAHL ........................................... 71 5.1.4.2. INDUKTIVITAETEN .................................................... 72 5.1.4.3. REDUKTIONSFAKTOREN ........................................... 73 5.1.5. BERECHNUNG DER INNEREN DREHMOMENTGLEICHUNG ............ 74 5.1.6. B(H)-KENNLINIE ................................................................... 75 5.2. ANALYTISCHE IMPLEMENTIERUNG ....................................................... 76 5.2.1. PROGRAMMABLAUFPLAN .......................................................... 76 5.2.2. OPTIMIERUNG DES ANALYTISCHEN PROGRAMMS ..................... 78 5.2.2.1. NOTWENDIGE RANDBEDINGUNGEN ........................ 78 5.2.2.2. AUTOMATISCHE BERECHNUNGEN ........................... 78 5.2.3. ANALYTISCHE SIMULATION .................................................... 79 5.2.3.1. VARIATION DER STRANGWINDUNGSZAHL .................. 81 5.2.3.2. ANZAHL DER ITERATIONEN .................................... 82 5.3. DIREKTER VERGLEICH - FEM VS. ANALYTIK ......................................... 83 5.3.1. LUFTSPALTINDUKTION ............................................................. 83 5.3.2. DREHMOMENT AUSBEUTE BEI BESTROMUNGSWINKEL VARIATION . 84 5.3.3. BEWERTUNG DER MODELLGENAUIGKEIT .................................... 85 6. THERMISCHE MODELLIERUNG 87 6.1. THERMISCHES NETZWERK ................................................................... 88 6.2. VERLUSTLEISTUNGSQUELLEN ................................................................... 89 6.3. ANALYTISCHE BESTIMMUNG DER INNEREN THERMISCHEN WIDERSTAENDE 90 6.3.1. UEBERGANGSWIDERSTAENDE IM ELEKTROBLECH ........................... 90 6.3.2. UEBERGANGSWIDERSTAND ZWISCHEN STAENDERWICKLUNG UND STAEN DERZAHN .................................................................. 91 6.4. IDENTIFIKATION DES AEUSSEREN THERMISCHEN WIDERSTANDES ............... 92 7. FUNKTIONSMUSTERAUSLEGUNG UND FUNKTIONSMUSTERBAU 93 7.1. RANDBEDINGUNGEN ......................................................................... 93 7.2. FUNKTIONSMUSTERAUSLEGUNG ............................................................. 94 7.2.1. DESIGNWAHL ......................................................................... 94 7.2.1.1. DESIGNWAHL 1 ....................................................... 94 7.2.1.2. DESIGNWAHL 2 ....................................................... 94 7.2.2. WICKLUNGSAUSLEGUNG .......................................................... 95 7.2.3. WELLENDESIGN ...................................................................... 97 III INHAL TSVERZEICHNIS 7.2.4. BAUKASTENPRINZIP ................................................................. 97 7.3. FUNKTIONSMUSTERBAU ......................................................................... 101 7.3.1. ELEKTROBLECH .......................................................................... 101 7.3.2. LAEUFER ...................................................................................... 101 7.3.3. STAENDER ................................................................................... 102 7.3.4. FUNKTIONSMUSTERBAU .............................................................. 103 8. FUNKTIONSMUSTERERPROBUNG UND VERGLEICH MIT DER SIMULATION 105 8.1. PRUEFSTANDAUFBAU UND MESSKONZEPT ................................................. 105 8.1.1. PRUEFSTANDAUFBAU .................................................................... 105 8.1.2. MESSKONZEPT .......................................................................... 107 8.2. STATIONAERES BETRIEBS VERHALTEN DES R-SYM ..................................... 109 8.2.1. ERMITTLUNG DES OPTIMALEN BESTROMUNGSWINKELS ............ 109 8.2.1.1. MTPA .................................................................... 109 8.2.1.2. MAXIMALER WIRKUNGSGRAD ..................................... 110 8.2.1.3. BEWERTUNG DER OPTIMIERUNGSMETHODEN .... 110 8.2.1.4. FESTLEGUNG DES LASTABHAENGIGEN STROMZEIGERS . . 111 8.2.2. STATIONAERES BETRIEBSVERHALTEN .............................................. 112 8.2.2.1. LAST VARIATION ........................................................... 114 8.2.2.2. SL-KENNLINIE ........................................................... 117 8.2.2.3. MECHANISCHE VERLUSTE ............................................ 118 8.2.2.4. VERLUSTLEISTUNGSAUFTEILUNG ...................................... 120 8.3. DIREKTER VERGLEICH, PRAKTISCHE ERPROBUNG VS. SIMULATION .... 121 9. DIRECT-ON-LINE-RELUKTANZSYNCHRONMOTOR 123 9.1. SIMULATION DES DOL-R-SYM .......................................................... 124 9.1.1. AUSLEGUNGSRANDBEDINGUNGEN .............................................. 124 9.1.1.1. INTRITTFALL ................................................................. 124 9.1.1.2. LASTKENNLINIE .......................................................... 127 9.1.1.3. UMSETZUNG DES DOL-R-SYM ............................... 127 9.1.2. INTRITTFALL-SIMULATIONEN .......................................................... 128 9.1.2.1. STABVARIATION .......................................................... 129 9.1.2.2. LEIT ER VARIATION ....................................................... 130 9.1.3. STATIONAER EINGESCHWUNGENE SIMULATIONEN ............................ 131 9.2. FUNKTIONSMUSTERAUSLEGUNG UND FUNKTIONSMUSTERBAU ................... 132 9.2.1. RANDBEDINGUNGEN ................................................................. 132 9.2.2. FUNKTIONSMUSTERAUSLEGUNG .................................................... 133 9.2.3. FUNKTIONSMUSTERBAU ............................................................. 135 IV INHALTSVERZEICHNIS 9.3. PRAKTISCHE ERPROBUNG UND VERGLEICH MIT DER SIMULATION .... 137 9.3.1. STATIONAERE ERPROBUNG .......................................................... 137 9.3.1.1. MESSKONZEPT UND PRUEFSTAND ................................. 137 9.3.1.2. PRAKTISCHE ERPROBUNG .......................................... 139 9.3.2. TRANSIENTE ERPROBUNG .......................................................... 142 9.3.2.1. MESSKONZEPT UND PRUEFSTAND ................................. 142 9.3.2.2. PRAKTISCHE ERPROBUNG .......................................... 144 9.3.3. ANPASSUNG DES TRANSIENTEN SIMULATIONSMODELLS ............ 146 9.4. BEWERTUNG DER MODELLGENAUIGKEIT .................................................... 147 9.5. BEWERTUNG DES UNIVERSALBLECH-KONZEPTES ........................................ 149 10. ZUSAMMENFASSUNG 151 A. ANHANG 153 A.L. WIRKUNGSGRADKLASSIFIZIERUNG ............................................................ 153 A.1.1. NETZGESPEISTE MOTOREN .......................................................... 153 A.L. 2. DREHZAHL VERAENDERLICHE MOTOREN ........................................... 153 A.L. 3. TOLERANZBEREICH ...................................................................... 154 A.2. FEM-GESTUETZTE AUSLEGUNG DES R-SYM .......................................... 155 A.2.1. GEOMETRIE VARIATION ................................................................ 155 A.2.1.1. ANWENDUNG DER NUTZAHLBEDINGUNG .................... 155 A.2.1.2. ANWENDUNG OHNE NUTZAHLBEDINGUNG ................. 156 A.2.2. SAETTIGUNGSEINFLUSS ................................................................ 156 A.2.3. WICKLUNGSAUSLEGUNG ............................................................. 157 A.2.3.1. EINSCHICHT-GLW ................................................... 157 A.2.3.2. EINSCHICHT-BLW ................................................... 158 A.2.4. EINFLUSS VON RADIALEN RIPPEN .............................................. 159 A.2.4.1. BERECHNUNG DER MAGNETISCHEN DRUECKE ........... 159 A.3. ANALYTISCHE MODELLIERUNG UND SIMULATION .................................... 161 A.3.1. ANALYTISCHE MODELLIERUNG .................................................... 161 A.3.1.1. CLARKE-PARK-TRANSFORMATION ............................... 161 A.3.1.2. HERLEITUNG DER FELDERREGER KURVE ......................... 163 A.3.1.3. ANALOGIE ELEKTRISCHER - MAGNETISCHER KREIS ... 166 A.3.1.4. ANALOGIE ELEKTRISCHER - THERMISCHER KREIS . . . 166 A.3.1.5. ERWEITERTES ESB DES R-SYM ............................... 167 A.3.2. ANALYTISCHE SIMULATION ...................................................... 168 A.3.2.1. AUTOMATISCHE VARIABIENERSTELLUNG ...................... 168 A.4. FUNKTIONSMUSTERERPROBUNG ................................................................ 170 A.4.1. LASTVARIATION ........................................................................ 170 A.4.2. SL-KENNLINIE ........................................................................ 171 V INHALTSVERZEICHNIS A.5. DOL-R-SYM ...................................................................................... 173 A.5.1. FUNKTIONSMUSTERBAU ............................................................. 174 A.5.2. ZEIT VERLAEUFE VON SPANNUNG UND STROM .............................. 175 A.5.3. DOL-R-SYM 2,2KW ............................................................. 176 A.5.4. BASISMOTOR 2,2KW ................................................................ 177 LITERATURVERZEICHNIS 179 VI
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publisher Shaker Verlag
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series Kaiserslauterer Beiträge zur Antriebstechnik
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