Auslegung von elektrischen Maschinen

Zusammenfassung

Gegenstand dieses Kapitels ist die Auslegung elektrischer Maschinen. Deren Innovationspotential als Antrieb oder Generator kann nur ausgeschöpft werden, wenn sie in einem System zusammen mit Energiequelle, leistungselektronischem Stellglied, mechanischen Komponenten und Anwendung betrachtet werden. Dies ist die Motivation dafür – nach einführenden Überlegungen – in drei Abschnitten mechanische Aspekte in den Blick zu nehmen.

Einige Grundlagen aus der Mechanik behandelt die Bewegungslehre des starren Körpers, Arbeit und Leistung, Dynamik des starren Körpers (Newtons Axiome), kinetische Energie und Massenträgheitsmoment, Anwendungen von Newtons Axiomen.

Getriebe mit Drehzahlwandlung zeigt die Wirkung eines Getriebes im stationären oder dynamischen Betrieb, zudem werden die Gesichtspunkte zur Festlegung des Getriebe-Übersetzungsverhältnisses dargelegt.

Elastisch gekuppelte Massen. Verbindungselemente mit merklicher Elastizität werden genauer betrachtet, da die Eigenfrequenzen durchaus im Arbeitsbereich des Antriebes liegen können. Auf Basis der hier gefundenen Erkenntnisse wird gezeigt, wie das Luftspaltmoment direkt oder das Wellenmoment mit einer Torisonswelle gemessen werden können.

Um die wirklich möglichen Innovationen realisieren zu können, ist es häufig unerlässlich die Anwendung mit ihren Besonderheiten ganzheitlich in den Blick zu nehmen. So treten erst die eigentlichen Anforderungen an den Antrieb zu Tage. Beispielhaft werden hier Kraftfahrzeugantriebe und Windkraftanlagen ausführlich behandelt.

Im Abschnitt Sechs erfolgt der Einstieg in die eigentliche Dimensionierung. Auf Basis des Konzeptes der Schubspannung werden Gestaltungsoptionen gezeigt, wobei Nebenbedingungen wie das Längen/Durchmesser-Verhältnis, das Massenträgheitsmoment oder die Erwärmung eingeführt sind. Dabei wird erkennbar, welche Vorteile durch kreisringförmige aktive Maschinenteile erreicht werden können. Zudem wird der Zusammenhang zum Essonschen Ausnutzungsfaktor dargelegt.

In der Didaktik elektrischer Maschinen geht es i.d.R. darum, das Betriebsverhalten existierender Maschinen zu erklären und auch mit Formeln zu beschreiben. Im siebten Abschnitt wenden wir uns der inversen Aufgabe zu: ein Motor wird mit gewünschten Eigenschaften entworfen, so sind z. B. die Verluste der Energiewandlung nicht eine hinzunehmende Größe, sie werden eine vorgebbare Nebenbedingung. Die Entwurfsmethodik wird am Beispiel einer Maschine mit dauermagnetischer Erregung und radialer Flussführung entwickelt. Die Konkretisierung der Auslegung samt numerischer Auswertungen erfolgt schrittweise in den Abschnitten Leerlauffeld und Magnetkreis, zweidimensionale Magnetfeldberechnung, Joch- und Zahnflüsse, Wickelfenster, Gestaltung des Wickelraumes, Statorjochhöhe und Außenradius, Entmagnetisierungsfestigkeit, Ankerfeld, Windungszahl. Im Unterabschnitt Hybriderregte Synchronmaschine wird der Reluktanzanteil im Verhältnis zum elektrodynamischen Drehmoment behandelt.