Maßnahmen zur Erhöhung der Leistungsdichte von permanenterregten Synchronmaschinen

Um das Einsatzspektrum von Elektromotoren zu erweitern, muss deren Leistungsdichte gesteigert werden. Viele Branchen sind auf Antriebskomponenten mit hoher Leistungsdichte angewiesen, so auch die Nutzfahrzeugindustrie. Aus diesem Grund werden Nutzfahrzeuge immer noch vorwiegend mit hydraulischen Antriebskomponenten ausgeführt. Die Leistungsdichte von Hydrostaten übersteigt die der elektrischen Antriebskomponenten bei weitem. Um das zu ändern, wurden Maßnahmen untersucht, die Leistungsdichte von permanenterregten Synchronmaschinen (PMSM) auf das Niveau von Hydrostaten zu steigern. Um die Leistungsdichte einer PMSM zu steigern, wird diese methodisch analysiert und die jeweiligen Maßnahmen nach ihrem Potenzial bewertet. Hochdrehzahlkonzepte sowie vergleichbar teure Materialien werden davon ausgeschlossen. Betrachtet wird lediglich die Leistungsdichtesteigerung durch Steigerung des Drehmoments bei gleichem Bauvolumen. Zur Steigerung des Wicklungsfaktors und damit der elektrischen Ausnutzung wird eine Mehrphasenmaschine mit neun Phasen und acht Polen in der Urwicklung erarbeitet. Für einen querkraftfreien Lauf wird die Urwicklung doppelt angeordnet. Das Mehrphasenkonzept schafft neben der höheren Leistungsdichte auch zusätzliche Freiheitsgrade. Mit diesen zusätzlichen Freiheitsgraden kann eine fehlertolerante Maschine gebaut werden, die im Falle einer Störung trotzdem noch betriebsfähig bleibt. Der optimierte Aufbau resultiert in einer Außenläufermaschine mit Oberflächenmagneten und doppelter Statoranordnung. So wird trotz Außenläufermaschine eine längliche Form erreicht, welche die Einbaumöglichkeiten im Vergleich zum Scheibenläufer stark erhöht. Die Wicklung besteht aus konzentrierten Formspulen mit für die Kühlung optimiertem Querschnitt und erhöhtem Nutfüllfaktor. Die Steigerung der Stromdichte auf JRMS = 24 A/mm2 wird durch eine direkte Kühlung der Wicklung mit Hydrauliköl erreicht. Abschließend wurde aus den gewonnenen Erkenntnissen ein Prototyp aufgebaut und auf einem Prüfstand vermessen. Die Testmaschine mit PS1 = 260 kW erreicht eine volumetrische Leistungsdichte, im Bezug auf das Gesamtvolumen, von Φ = 13.13 kW/L . Die volumetrische Leistungsdichte im Bezug auf das Aktivvolumen beträgt Φ = 34.50 kW/L . Diese Kennwerte sind mit denen eines Hydrostaten mit einem Schluckvolumen von 160 cm3 vergleichbar.
To expand the range of use of electro motors, the power density has to be increased. Many industry sectors are reliant on high power density drive components, like the commercial vehicle industry. Because of that, the most common drive train in this sector is still a hydraulic drive system. The power density of a hydraulic drive is still a lot higher than an electrical drive. To change this fact, methods were developed to increase the power density of permanentmagnet synchronous motors (PMSM) to the level of a hydraulic motor. To do this, the PMSM will be methodically analyzed and the potential of the individual steps where rated. Concepts of high power density with a high speed or very expensive materials where not investigated. The focus is on increasing the torque density. To increase the winding factor and thus the electrical exploitation, a multiphase machine with nine phases and eight poles in the smallest winding configuration is developed. To reduce the transverse force to almost zero, the winding configuration is mirrored. Next to the higher power density, this kind of winding creates new degrees of freedom. This is the base for an engine with fault tolerance. Through optimization of the design of the machine, results an outer rotor permanent magnet synchronous machine with surface magnets and two stators in one housing. This design guarantees, even if an outer rotor is used, an elongated machine. Therefore, the possibilities of implementation are still as high as with an inner rotor machine. The winding is made of concentrated coils. Instead of round wires, trapezoidal wires are used. This allows a higher fill factor and a current density of JRMS = 24 A/mm2 . The high current density results of the direct cooling of the coils with hydraulic oil. To validate the steps, a prototype is built. This prototype is tested on a test rig and has a power of PS1 = 260 kW. The volumetric power density, based of the overall volume, is rated with Φ = 13.13 kW/L . If the volume of the active parts is used, the power density is Φ = 34.50 kW/L . These characteristics meet the ones of a hydraulic drive with a displacement of 160 ccm.