Ingenieurbüro für Leistungselektronik und Antriebe
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Elektrische Maschinen und Antriebe

Optimierung einer Kleinmaschine mit Folgepolrotor

Der Rotor einer Synchronmaschine mit vergleichsweise geringer Leistung aber hoher Leistungsdichte sollte im Hinblick auf die Herstellungskosten optimiert werden. Da die hohe Leistungsdichte nur durch eine hohe Drehzahl erzielt werden kann, schieden alle Rotorkonzepte mit Oberflächenmagneten aus. Gesinterte Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) Oberflächenmagnete sind aufgrund ihres niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands nicht für hohe Drehzahlen in Verbindung mit einem genuteten Stator geeignet. Kunststoffgebundene Magnete scheiden aufgrund der vergleichsweise hohen Materialkosten, bezogenen auf die Energiedichte, aus.

Von den Rotorkonzepten mit gesinterten NdFeB-Magneten, die in Taschen des Rotorblechpakets angeordnet sind, sogenannte "vergrabene" Magnete, überzeugte das Konzepts der Folgepolanordnung. Hierbei wird lediglich jeder zweite Rotorpol von einem ihm zugeordneten Dauermagnet erzeugt. Die restlichen Pole bilden sich im jeweiligen magnetischen Rückschluss. Im Feldbild der FEM-Feldberechnung (rechts) ist die vierpolige Anordnung der beiden Magnete gut zu erkennen. Vergleicht man diese Anordnung mit einer symmetrischen vierpoligen Anordnung, die aus vier Magneten besteht, so fällt auf, dass die Magnete der Folgepolanordnung deutlich breiter sein dürfen als die in einem konventionellen Rotor. Außerdem müssen sie höher sein, da ein einziger Magnet den magnetischen Fluss zwei Mal über den Luftspalt treiben muss. Beide Aspekte stellen für eine Folgepolmaschine einen Vorteil gegenüber der klassischen elektrischen Maschine mit symmetrischen Polen dar. Die größere Breite der Magnete führt zu einem größeren Luftspaltfluss (Amplitude der Grundwelle) und die vergrößerte Magnethöhe senkt die Fertigungskosten der Magnete, da die Ausbeute bei deren Herstellung steigt.

Jedoch sollen auch die Nachteile der Folgepolanordnung nicht unerwähnt bleiben. Die ungleichen Breiten von Magnet- und Folge- bzw. Rückschlusspol haben einen unsymmetrischen Verlauf der Luftspaltflussdichte zur Folge, wie in der roten Kurve rechts dargestellt. Diese Unsymmetrie zeigt sich sich auch in einer großen Anzahl von Oberwellen in der räumlichen Verteilung der Luftspaltflussdichte, wie das Spektrum mit den grünen Balken rechts zeigt. Der zweite große Nachteil der Folgepolanordnung äußert sich in einem starken axialen Streufeld, das sich über die Welle und die Lager schließt. Die beiden gleichartigen, der Rotorwelle zugewandten Magnetpole, treiben einen magnetischen Streufluss über die Rotorwelle in den Stirnbereich des Stators.

Das Oberwellenspektrum der Luftspaltinduktion und das Axialfeld müssen somit bei der Optimierung der Maschine berücksichtigt werden. Die alleinige Maximierung der Induktionsgrundwellen-Amplitude führt nicht notwendigerweise zu der optimalen elektrischen Maschine.