Antriebssystem auf Basis einer magnetisch gekoppelten Transversalfluss-Linearmaschine

Produktbeschreibung

In der vorliegenden Arbeit wird eine dreiphasige Transversalfluss-Linearmaschine mit magnetisch verkoppelten Phasen vorgestellt. Die Kombination von zwei Linearmaschinen zu einem Gesamtsystem führt zu einem flexiblen, kostengünstigen und dynamischen Lineardirektantrieb. Von besonderer Bedeutung dieses Antriebssystems ist die Möglichkeit zum Aufbau von Kurven und Weichen mit elektromagnetischem Funktionsprinzip ohne mechanische Verstellung der Strecke. In der Arbeit wird ein analytisches Modell entwickelt, Optimierungen mit numerischen Berechnungen durchgeführt, ein
Versuchsstand konstruiert und der Prototyp messtechnisch validiert. Darüber hinaus werden für den zukünftigen Einsatz von Leistungselektronik mit WBG-Halbleitern die Auswirkungen von hohen Schaltfrequenzen auf die Wicklungen elektrischer Maschinen untersucht und eine Methodik zur Abschätzung der Überspannungseffekte innerhalb von Wicklungen wird vorgestellt.

Inhalt
VORWORT ……………………III
INHALT……………………… V
NOMENKLATUR ………………. VII
KURZFASSUNG…………………. X
ABSTRACT ………………….. XI
1 EINLEITUNG………………… 1
2 STAND DER FORSCHUNG…………….. 4
2.1 Lineardirektantriebe ………….. 4
2.2 Transversalflussmaschinen………… 7
2.2.1 Mehrsträngige TF-Maschinen………… 8
2.2.2 Passiver Stator………………….. 9
2.2.3 Entwürfe von Transversalfluss-Linearmaschinen ………….10
3 MODELL DER TRANSVERSALFLUSS-LINEARMASCHINE………….13
3.1 Funktionsprinzip………………….13
3.2 Kraftwirkung im magnetischen Feld …………..17
3.2.1 Kraftberechnung mittels des Maxwellschen Spannungstensors ………18
3.2.2 Kraftberechnung mittels der virtuellen Verrückung …………….19
3.3 Analytisches Modell der Linearmaschine …………………………21
3.4 Optimierungen mittels FEM……………………………………..30
3.4.1 Parameteridentifikation……………………………………..33
3.4.2 Auslegung des Polbedeckungsfaktors…………………………..34
3.4.3 Auslegung des Wickelfensters und der Spulen …………………36
3.4.4 Berücksichtigung von Eisenverlusten………………………….39
3.4.5 Passivierung von Permanentmagneten…………………………..45
3.4.6 Endauslegung ………………………………………………46
3.5 Dynamisches Modell der Linearmaschine……………………………..47
4 ANTRIEBSSYSTEM AUF BASIS EINER LINEARMASCHINE…………………53
4.1 Struktur des Antriebssystems…………………..53
4.2 Aufbau von Kurven und passiven Verzweigungen des Verfahrwegs………….56
4.3 Regelungskonzept ………………………………………..58
4.3.1 Adaption von Feldkoordinaten…………………………59
4.3.2 Kaskadenregelung einer Teillinearmaschine …………………62
4.3.3 Regelung des gesamten Antriebssystems…………….65
4.3.4 Simulation der Regelung………………………………65
4.4 Regelungstechnische Optimierungsansätze ………………….66
4.4.1 Vortriebskraftglättung ……………………………66
4.4.2 Einfluss und Kompensation von Unsicherheiten………..69
5 KONSTRUKTION UND AUFBAU DES VERSUCHSSTANDS……….72
5.1 Mechanische Konstruktion des Linearantriebs ………….72
5.2 Signalverarbeitung und Leistungselektronik…………75
5.3 Positions- und Geschwindigkeitsmessung ……………….78
6 MESSUNG UND AUSWERTUNG ……………………………….81
6.1 Ohm’scher Widerstand und Induktivität…………………81
6.2 Induzierte Spannung…………………………………82
6.3 Vortriebskraft …………………………………….84
6.4 Transienter Beschleunigungsvorgang…………………..85
6.5 Auslaufversuch ………………………………..86
6.6 Geschwindigkeitsregelung ………………………..88
6.7 Positionsregelung ……………………………..91
7 HOCHFREQUENZEFFEKTE IN ELEKTRISCHEN MASCHINEN …………………………..93
7.1 Effekte durch den Einsatz von schnell-schaltenden Bauelementen…………93
7.2 Folgen von Parasitäten der Wicklungen elektrischer Maschinen………………95
7.3 Frequenzabhängigkeit der Kupferverluste…………………96
7.3.1 Stromverdrängungsverluste …………………97
7.3.2 Proximityverluste…………………………98
7.4 Klemmenverhalten einer Wicklung………………98
7.5 Verhalten innerhalb der Wicklung …………….100
7.6 Berechnung der HF-Modelle und des Frequenzverhaltens …………103
7.6.1 Simulation des Klemmenverhaltens ………………………..105
7.6.2 Simulation mittels LC-Ersatznetzwerk ……………………..106
7.6.3 Ansatz mittels Leitungstheorie…………………………….111
7.7 Messung des Frequenzverhaltens der Wicklung…………………..114
7.8 Messung an einer SiC-Prüfquelle…………………………….117
8 DISKUSSION UND VERBESSERUNGSANSÄTZE…………….121
8.1 Diskussion zum Entwurf des Linearantriebs………………..121
8.2 Diskussion der Untersuchung zum parasitären Wicklungsverhalten……………125
9 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK…………………………………………………………127
10 ANHANG…………………….129
11 LITERATURVERZEICHNIS ……………131
ÄNDERUNGEN……………..138

Keywords: Linearmotor, Antriebssystem, Lineardirektantrieb, Transversalflussmaschine, Magnetisch gekoppelte Phasen, Passiver Stator, Kurven und Weichen, Hochfrequenz Modell, Linear motor, direct drive system, transverse flux machine, magnetic coupled phases, passive stator, curves and switches, high-frequency model