Vergleichende Untersuchung von Verlusten in umrichtergespeisten Maschinen durch höherfrequente Stromanteile in Zeitschrittverfahren

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Drehzahlveränderung bei AC-Maschinen erfolgt durch Veränderung der Frequenz von Ständerstrom und Ständerspannung. Dies wird in der Regel durch Pulsweitenmodulation der Ständerspannung erreicht. Der Strom wird durch die Motorinduktivitäten zwar geglättet, enthält aber immer noch pulsfrequente Anteile, die ihrerseits magnetische Felder in der Maschine erregen. Diese höherfrequenten Felder bewirken durch Spannungsinduktion in leitfähigen Maschinenteilen Wirbelstromverluste und in ferromagnetischen Teilen auch Hystereseverluste. Diese Phänomene sind vor allem in umrichtergespeisten Asynchronmaschinen, die als AC-Standardantriebe gelten, seit langem bekannt, jedoch rechnerisch schwer erfassbar. Moderne drehzahlveränderbare AC-Antriebe sind mittlerweile in unterschiedlicher Technologie, als Asynchron-, Permanentmagnetsynchron- und als Switched-Reluctance- Antriebe am Markt verfügbar. In vielen Anwendungen wie z. B. als hochausgenützte Hauptantriebe in Elektro- bzw. Hybridautos werden sie als konkurrierende Antriebskonzepte vergleichend untersucht. Dabei ist die Frage der durch umrichterbedingte Stromoberschwingungen bedingten Verluste in den unterschiedlichen Maschinentypen von großem Interesse, da diese zusätzlichen Verluste eine erhöhte Erwärmung der Maschinen verursachen und damit die Ausnützung begrenzen. Aus diesem Grund soll mit identischen Simulationsmethoden die Verlustverteilung in den unterschiedlichen Motorkonzepten Asynchronmaschine, PM-Synchronmaschine, Switched-Reluctance-Maschine vergleichend berechnet und im Verhältnis zu den anderen Verlustkomponenten bewertet werden. Bei vorausgesetzt identischer Kühlungsmethode wie z. B. der bei hochausgenützten Antrieben häufig eingesetzten Wassermantelkühlung soll dann ausgehend von den Verlusten - die lokale Erwärmung mit numerischen Methoden bestimmt werden. Dabei kann zunächst von eingeprägten Stromoberschwingungen, die aus Messungen vorab bekannt sind, ausgegangen werden, während in einem zweiten Schritt die eingeprägte Spannung über eine Netzwerk-Motorkopplung die Stromoberschwingungen rechnerisch bestimmt, wobei die sich einstellenden frequenzabhängigen Motorinduktivitäten die Feldabdämpfung durch Wirbelströme mit erfassen. Diese Ergebnisse können wiederum in die vereinfachten Oberschwingungsersatzschaltbilder, wie sie bei der Antriebsprojektierung verwendet werden, übernommen werden. Durch ausgewählte Teilmodelle sollen die Erfassung der Blechung der Pakete, der Einfluss massiver und geblechter Läuferjoche in PM-Technologie mit Oberflächen und vergrabenen Magneten, die Gestaltung des Käfigrotors mit offener und geschlossener Nut, der Einfluss der Nutform (aufbauend auf publizierten Ergebnissen) und der Einfluss der Nut-Zahn-Geometrie bei Reluktanzmaschinen systematisch untersucht werden. Daraus sollen verallgemeinerbare Erkenntnisse für die Gestaltung von Ersatzschaltbildern der untersuchten AC-Maschinen, wie sie für die Antriebsprojektierung verwendet werden, abgeleitet.