Maschinendesign für geberlos geregelte PMSM

Zusammenfassung

Die geberlose Regelung permanentmagneterregter Synchronmaschinen ermöglicht eine Reduktion des Bauvolumens und der Gesamtkosten, weil der mechanische Lagegeber entfallen kann. Anisotropiebasierte Verfahren der geberlosen Rotorlageschätzung, die im unteren Drehzahlbereich und im Stillstand verwendet werden, stellen dabei besondere Anforderungen an die elektromagnetische Gestaltung der Maschine. Nicht jede Maschine, die nach den typischen Kriterien ausgelegt wurde, erfüllt diese Anforderungen. Insbesondere lastabhängige Sättigungseffekte führen in vielen Fällen zu kritischen Arbeitspunkten mit verschwindend kleiner Anisotropie, die keine stabile Rotorlageschätzung ermöglichen. Bisher gibt es nur wenig Erfahrungen mit diesen Designkriterien. Mithilfe modifizierter Rotorblechschnitte oder kurzgeschlossener Spulen im Rotor zur Erhöhung der hochfrequenten Anisotropie kann die Güte der geberlosen Rotorlageschätzung gezielt verbessert werden. Die Lösungen berücksichtigen die Randbedingungen, dass die Drehmomentdichte des Antriebs beibehalten wird und die Verluste nicht wesentlich ansteigen. Die Rotorspulen erweisen sich dabei als besonders geeignet für kleine Antriebe mit Oberflächenmagneten, bei denen aus Platzgründen keine vergrabenen Magnetanordnungen oder zusätzliche Flusssperren umgesetzt werden können. Die zusätzlichen Verluste durch die Abdämpfung von nicht synchronen Feldkomponenten sind bei richtiger Auslegung vernachlässigbar klein.

Abstract

Sensorless control of permanent magnet synchronous machines reduces both volume and overall cost, because no mechanical position sensor is required. At zero speed and in the lower speed range, saliency-based methods of sensorless rotor position estimation place special demands on the machine’s electromagnetic design. A machine design considering the typical criteria does not necessarily meet these demands. In particular, load-dependent saturation effects often cause critical operating points with vanishingly low saliency, not permitting a reliable rotor position estimation. Up to now, these design criteria have barely been investigated yet. By means of modified rotor laminations or short-circuited rotor coils increasing high-frequency saliency, the quality of sensorless rotor position estimation can be improved specifically. Both approaches consider the boundary conditions, i.e. an unchanged torque density of the motor and small increase of losses. The rotor coils are especially suitable for smaller motors with surface magnets, for lack of space not tolerating the use of buried magnets or additional flux barriers. With the appropriate design, the additional losses caused by the damping of non-synchronous field components are negligibly small.