Entwicklungsmethodik für schnelldrehende, permanentmagneterregte Traktionsmaschinen

Zusammenfassung

Im Rahmen des vom Deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojektes e-generation (Förderkennzeichen 16N11867) wurde eine schnelldrehende permanentmagneterregte Synchronmaschine entworfen, deren maximale Betriebsdrehzahl bei 18.000 min⁻¹ liegt und sich hierdurch deutlich von derzeit am Markt vorzufindenden Traktionsmaschinen absetzt. Ziel dieses Projektes war es, unter den Randbedingungen eines beschränkten Bauraums, der zur Verfügung stehenden Spannung sowie eines begrenzten Strangstroms die benötigten Raddrehmomente in Kombination mit einem eingängigen Getriebe bei gleichzeitiger Reduktion der Antriebsverluste um 40% im Vergleich zu bestehenden Systemen zu erreichen.

Dazu wurde eine Entwurfsmethodik entwickelt, welche neben den Randbedingungen aufgrund des Bauraums, der Spannung sowie des Strangstroms zudem die hohen auftretenden mechanischen Belastungen des Rotors durch Fliehkräfte, die neben der Leistungsdichte ebenfalls gesteigerte Verlustleistungsdichte sowie insbesondere die erhöhten frequenzabhängigen Verluste berücksichtigt. Um einen im Rahmen des Projektes aufgebauten Prototypen vermessen zu können, wurde vorab ein Hochdrehzahlprüfstand im Detail geplant und aufgebaut. An diesem wurden umfangreiche Messungen durchgeführt, um die entwickelte Entwurfsmethodik zu validieren sowie die resultierende Traktionsmaschine bzgl. der Erfüllung der Anforderungen zu verifizieren.

Abstract

Within the research project e-generation, sponsored by the German Federal Ministry of Education and Research (funding code 16N11867), a high-speed permanent magnet excited traction drive was developed. Its maximum speed of 18,000 rpm clearly distinguishes it from machines, which are currently available on the market. The project’s goal was to provide the desired torque at the wheels in combination with a single-speed transmission with reduction of losses by 40% compared to existing drivetrains, considering the restricted installation space, the available voltage level and the limited phase current.

For this purpose, a design methodology was developed to consider the boundary conditions of installation space, voltage and current as well as mechanical stress due to centrifugal forces, the increased loss density and the increased frequency-dependent losses. A high-speed test bench was planned and set up to characterize a prototype of the designed machine. Extensive measurements were performed to validate the design methodology and to verify the machine with regard to the fulfillment of the requirements.