Synchrone Reluktanzmaschinen mit Statorkäfig

Die synchrone Reluktanzmaschine besitzt außer der Ankerwicklung keine weitere Felderregung. Mit dem Reluktanzprinzip verknüpft sind eine hohe Drehmomentwelligkeit, ein geringes Drehmoment und ein schmaler Konstantleistungsbereich. Bisherige Untersuchungen befassen sich mit Ganz- und Bruchlochwicklungen, um Einfluss auf diese Leistungsindikatoren zu üben. Ein neuartiger Ansatz stellt der einseitig kurzgeschlossene Statorkäfig dar. Ziel der Arbeit ist es die Anwendung des Statorkäfigs auf synchrone Reluktanzmaschinen zu untersuchen und im Hinblick auf die Eignung als Traktionsantrieb in elektrisch betriebenen Fahrzeugen zu bewerten.
Dazu erfolgt eine umfassende Behandlung der elektromagnetischen Eigenschaften des Statorkäfigs, wie der Änderung der Polpaarzahl über die Phasenverschiebung zwischen den Stäben oder der inhomogenen Stromdichteverteilungen in den massiv ausgeführten Stäben und im Kurzschlussring.
Zur Ableitung allgemeingültiger Ergebnisse wird ein analytisches Modell basierend auf dem linearen magnetischen Kreis entwickelt. Bestehende Ansätze werden auf geometrisch asymmetrische Konfigurationen erweitert und die Ergebnisse anhand von FEM-Simulationen validiert.
Die Polumschaltbarkeit wird anhand diverser Rotorgeometrien erfasst. Untersuchungen zur Bildung zeitlich konstanter Drehmomente erfolgen über die Hauptflussverkettungen. Es werden Reluktanzunterschiede sichtbar, die Orientierungen der Achsen in Richtung der größten und kleinsten Reluktanz identifiziert und Unterschiede hervorgehoben Im Rahmen des elektromagnetischen Entwurfs liegt der Fokus auf der Vereinfachung des Entwurfsprozesses und der Reduktion der Drehmomentwelligkeit ausgehend von der Anzahl an Stäben. Die Bewertung von drei entworfenen Kandidaten erfolgt anhand von Kennlinien und Kennfeldern.

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Die synchrone Reluktanzmaschine besitzt außer der am Energieumsatz beteiligten Ankerwicklung keine zusätzliche Felderregung. Mit dem drehmomentbildenden Reluktanzprinzip verknüpft sind eine tendenziell hohe Drehmomentwelligkeit, ein geringes mittleres Drehmoment und ein schmaler Konstantleistungsbereich. Bisherige Untersuchungen befassen sich mit Ganz- und Bruchlochwicklungen, um zielgerichtet positiven Einfluss auf diese Leistungsindikatoren zu üben. Ein neuartiger Ansatz stellt der einseitig kurzgeschlossene Statorkäfig dar. Ziel der Arbeit ist es, die Anwendung des Statorkäfigs auf synchrone Reluktanzmaschinen zu untersuchen.Zu diesem Zweck erfolgt eine umfassende Behandlung der elektromagnetischen Eigenschaften des Statorkäfigs. Im Vergleich zu aus Spulen gebildeten Wicklungssträngen ist die Polpaarzahl durch die Phasenverschiebung zwischen den Stäben festgelegt und innerhalb bestimmter Grenzen frei wählbar. Herleitungen zeigen die Zusammenhänge zwischen der Phasenverschiebung und der Polpaarzahl sowie der Höchstgrenze der Polpaarzahl bedingt durch die Stabzahl. Die massive Ausführung der Stäbe und des Kurzschlussringes hat die Ausbildung von Wirbelströmen zur Folge. Durch die vergleichsweise hohen Frequenzen findet eine deutliche Feldbeeinflussung statt. Ein Augenmerk liegt auf der Berechnung der resultierenden Stromdichteverteilungen, der ohmschen Widerstände und der Streuinduktivitäten.Ein weiterer Aspekt liegt auf der analytischen Modellbildung synchroner Reluktanzmaschinen. Als Basis dient ein linearer magnetischer Kreis, dessen Zugang auf der Abstraktion der Querschnittsgeometrie beruht. Dies bildet die Grundlage zur Berechnung verteilter Größen, integraler Größen und konzentrierter Integralparameter. Bestehende Ansätze werden kombiniert und auf geometrisch asymmetrische Konfigurationen erweitert. Das analytische Modell dient zur Untersuchung der Entstehungsursachen von Homopolarkomponenten, der Polumschaltbarkeit und zur Reduktion der Drehmomentwelligkeit. Gegenüberstellungen zu numerischen Feldberechnungen über die Finite-Elemente-Methode verifizieren dessen Aussagekraft.Die Änderung der Polpaarzahl während des Betriebes wird herangezogen, um die Polumschaltbarkeit synchroner Reluktanzmaschinen anhand diverser Rotorgeometrien zu erfassen. Untersuchungen zur Bildung zeitlich konstanter Drehmomente erfolgen über die Amplituden der Hauptflussverkettungen. Es werden etwaige Reluktanzunterschiede sichtbar, die Orientierungen der Achsen in Richtung der größten und kleinsten Reluktanz identifiziert und quantitative Unterschiede hervorgehoben. Vorangehende Betrachtungen der Entstehungsursachen von Homopolarkomponenten zeigen, dass in der Literatur getroffene Vereinfachungen während der analytischen Modellbildung für derartige Analysen im Allgemeinen nicht anwendbar sind.Im Rahmen des elektromagnetischen Entwurfs ist eine Flussbarrierengeometrie thematisiert, die auf einen inhärent hohen Reluktanzunterschied führt. Der Fokus liegt auf der Reduktion der Freiheitsgrade sowie deren Entkopplung und physikalischer Bezug zu Zielgrößen des Entwurfs.Eine gesonderte Betrachtung adressiert die Reduktion der Drehmomentwelligkeit ausgehend von der Anzahl an Stäben. Zahlreiche numerische Feldsimulationen zur Variation der Geometrie und der Betriebspunkte belegen die Wirksamkeit des angegebenen Kriteriums. Die Gegenüberstellung von drei entworfenen Kandidaten hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und Wirkungsgradvorteile durch Polumschaltung erfolgt anhand diverser Kennlinien und Kennfelder. Das Entwurfsergebnis bestätigt die Eignung von synchronen Reluktanzmaschinen mit Statorkäfig für den Einsatz als Traktionsantriebe.