Highspeed PM-Synchronmotor mit modularem SMC-Statorkonzept

Zusammenfassung

Bei Highspeed-Antrieben kommen aufgrund ihrer hohen Drehmomentdichte wassergekühlte PM-Synchronmotoren zum Einsatz, als Einbaumotor sind sie integraler Bestandteil des Aggregates. Hohe Betriebsdrehzahlen sowie die verfügbare Leistungselektronik führen oft auf 2‑polige Motorauslegungen. Auch müssen Maßnahmen getroffen werden, um die Eisenverluste bei hohen Drehzahlen zu limitieren. Eine Alternative zu verlustarmen Elektroblechen ist der Einsatz von SMC-Materialien, die sich zudem für ein modulares Statordesign eignen. Für einen modularen Stator ist die Ausführung der Statorwicklung als Zahnspulenwicklung eine Grundvoraussetzung. Bei 2‑poligen Statoren scheiden die klassischen Bruchloch-Zahnspulenwicklungen leider aus, eine Lösung bietet die Einlochwicklung, die auch in eine Zahnspulenwicklung überführt werden kann. Das gewählte modulare Statordesign besteht aus einem SMC-Jochzylinder sowie einzelnen Zahnspulenelementen, in denen sich SMC-Zähne als Inlay befinden. Am Beispiel eines PM-Synchronmotors wird ein Funktionsmuster ausgelegt und für die experimentelle Erprobung angefertigt. Die Erprobung erfolgt im direkten Vergleich zu einem zweiten Funktionsmuster, das konventionell mit einem Statorblechpaket aus Elektroblech NO20 gefertigt ist. Die Erprobung bestätigt die Simulationsergebnisse und kann zeigen, dass Einloch-Zahnspulenwicklungen und SMC-Werkstoffe bei 2‑poligen Highspeed PM-Synchronmotoren vorteilhaft eingesetzt werden können und sich für ein modulares Statordesign eignen.

Abstract

Due to their high-torque density, water-cooled PM-synchronous motors are increasingly used for high-speed drives. They are an integral part of the aggregate in form of a built-in motor. High operating speeds as well as the available power electronics often lead to 2‑pole motor designs. Measures must also be taken to limit iron losses at high speeds. An alternative to low-loss electric sheet steel is the use of SMC materials which are also suitable for a modular stator concept. The layout of the stator winding as a tooth-coil winding is a basic requirement for a modular stator concept. With 2‑pole stators, the classic fractional slot tooth-coil windings are unfortunately omitted. One solution is the single-coil winding which can also be converted into a tooth-coil winding. The chosen modular stator concept consists of an SMC yoke cylinder and discrete tooth-coil elements in which SMC teeth are located as inlay. Using the example of a PM-synchronous motor, a sample motor is designed and manufactured for experimental testing. The test is carried out in direct comparison to a second sample motor which is conventionally manufactured with a stator core made of NO20 electric sheet steel. The test confirms the simulation results and shows that single-coil windings and SMC materials can be used meaningfully in 2‑pole high-speed PM-synchronous motors and are suitable for a modular stator concept.