Synchronmaschine mit eingebetteten Magneten und neuartiger variabler Erregung für Hybridantriebe (PDF)

Die Verknappung von Rohstoffressourcen und ein steigendes Umweltbewusstsein vergrößern den Anreiz für Hersteller von Fahrzeugen und elektrischen Maschinen deren Effizienz zu verbessern und neue Antriebssysteme zu entwickeln. Am Beispiel eines Hybrid-Stadtbusses werden in dieser Dissertation die Vorteile des Einsatzes einer optimierten elektrischen Maschine im Antriebsstrang gezeigt. Als neue elektrische Antriebskomponente wird eine Maschine mit eingebetteten Magneten und neuartigem Feldschwächverfahren vorgestellt.

Nach der Einleitung erfolgt die Betrachtung von Energieeinsparpotenzialen im Fahrzeugbetrieb. Dazu werden die Effizienz von Antriebsstrangkomponenten und die Einflüsse von Fahrzyklen betrachtet. Nach einer Strukturierung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Strategien sowie Verschaltung und Parametrisierung der Komponenten einer Gesamtfahrzeugsimulation dargestellt, die das Verhalten des zum Vergleich herangezogenen Stadtbusses widerspiegeln. Motiviert durch die Ergebnisse dieser Simulation ist das Ziel die Auslegung der neuen Synchronmaschine mit eingebetteten Magneten (Embedded oder Internal Permanent Magnet, IPM) anstelle der bisher eingesetzten Asynchronmaschine. Diese Schenkelpolmaschine mit variabler Permanentmagneterregung weist besondere Eigenschaften hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, des Wirkungsgrads und der Schleppverluste auf.

Nach der Vorstellung eingesetzter Berechnungsverfahren erfolgt eine umfangreiche Klassifizierung der Feldschwächverfahren von Synchronmaschinen. In diese Struktur wird das neue Verfahren zur Schwächung des Erregerfeldes eingegliedert, welches mit dem Namen Integrated Magnet Adjustable Bar (IMAB) bezeichnet wird und eine wesentliche Innovation dieser Arbeit darstellt. Mit diesem Verfahren sind die gewünschten Eigenschaften der Maschine erreichbar.

Es wird anschließend eine Methodik zur schnellen Berechnung von Kennfeldern (z. B. Drehmoment-Drehzahl-Kennfelder) vorgeschlagen, die das Verhalten der Maschine in ihrem gesamten Betriebsbereich beschreiben. Durch deren Einbindung in eine Optimierung erfolgt die Auslegung der neuen IMAB-Maschine. Es folgt die Realisierung in Form eines Prototyps, auf dessen Rotoraufbau und -konstruktion eingegangen wird. Die Vorteile dieser Maschine werden zum Abschluss der Arbeit durch Messergebnisse und Vergleiche mit numerischen Berechnungsergebnissen bestätigt.