Vergleich von synchronen Reluktanzmotoren ohne und mit Ferritmagnetunterstützung

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