Drehzahlgeregelte Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs) werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer Leistungsdichte und ihrer hervorragenden dynamischen Leistung häufig in der Industrieautomation, in Elektrofahrzeugen, Aufzügen und anderen Bereichen eingesetzt. In diesem Zusammenhang ist die Analyse der magnetischen Flussdichteeigenschaften des Motors sowie der Sättigungsgrade von besonderer Bedeutung Zahnflussdichte (B_t) und Jochflussdichte (B_y) wirken sich direkt auf die Leistung und Zuverlässigkeit des Motors aus.
Geschwindigkeitsgeregelte PMSMs bestehen typischerweise aus einem Rotor, einem Stator und Wicklungen. Der Rotor ist mit Permanentmagneten ausgestattet und das rotierende Magnetfeld interagiert mit dem Strom in den Statorwicklungen, um den Motor anzutreiben. Ein wesentliches Merkmal von PMSMs ist, dass ihre Geschwindigkeit proportional zur aktuellen Frequenz ist und sie einen hohen Leistungsfaktor bei minimalen Verlusten aufweisen.
Bei PMSMs bezieht sich die Zahnflussdichte (B_t) auf die magnetische Flussdichte in den Statorzähnen, während sich die Jochflussdichte (B_y) auf die Flussdichte im Jochbereich bezieht. Beide beeinflussen maßgeblich die Leistungsleistung, Vibration, Geräuschentwicklung und den Leistungsfaktor des Motors.
Magnetische Sättigung tritt auf, wenn ein magnetisches Material eine bestimmte Flussdichte erreicht, über die hinaus weitere Erhöhungen der magnetischen Feldstärke die Flussdichte nicht wesentlich erhöhen. Die Sättigung beeinträchtigt nicht nur die magnetische Leistung des Motors, sondern verringert auch den Wirkungsgrad und erhöht den Temperaturanstieg.
Eine Sättigung im Zahnbereich führt häufig zu nichtlinearen Änderungen der Drehmomentabgabe. Sobald die Sättigung eintritt, weicht das Verhältnis zwischen Drehmoment und Strom deutlich vom Idealzustand ab, insbesondere unter Hochlastbedingungen, was möglicherweise zu Überhitzung und Motorschäden führen kann.
Eine Sättigung im Jochbereich verzerrt die Verteilung des umgebenden Magnetfelds, erhöht die Streuflussverluste und beeinträchtigt die Startleistung und die dynamische Reaktion des Motors.
Software zur Finite-Elemente-Analyse (FEA) kann die Flussdichteverteilung unter verschiedenen Betriebsbedingungen effektiv analysieren. Durch die Simulation des elektromagnetischen Feldes unter verschiedenen Zuständen können die Sättigungsgrade in den Zähnen und im Joch genau beurteilt werden.
Experimentelle Messungen der Strom-, Drehmoment- und Drehzahleigenschaften unter verschiedenen Lasten und Drehzahlen können eine Sättigung aufdecken. Wenn das Drehmoment bei einer gegebenen Stromdichte nicht den theoretischen Erwartungen entspricht, kann eine Sättigung die Ursache sein.
Eine Hochfrequenz-Antwortanalyse kann nichtlineares Verhalten unter sich schnell ändernden Lasten aufdecken und indirekt den Sättigungsgrad in den Zahn- und Jochbereichen anzeigen.
Durch die Auswahl geeigneter Materialien und die Optimierung des Strukturdesigns während der Motorentwicklungsphase können Sättigungsrisiken wirksam reduziert werden. Durch die Verwendung von Materialien mit hoher Koerzitivfeldstärke und die Optimierung der Rotorgeometrie können die Sättigungsgrenzen verbessert werden.
Fortschrittliche Steuerungsalgorithmen wie die Vektorsteuerung oder die direkte Drehmomentsteuerung können dabei helfen, die negativen Auswirkungen der Sättigung abzumildern.
Durch Echtzeitüberwachung und Anpassung der Last- und Betriebsbedingungen kann verhindert werden, dass der Motor während des Betriebs in Sättigungsbereiche gerät.
Die Beurteilung der Sättigung der Zahn- und Jochflussdichte ist entscheidend für die Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit geschwindigkeitsgeregelter PMSMs. Numerische Simulationen, experimentelle Tests und Hochfrequenz-Antwortanalysen bieten wirksame Mittel zur Bewertung und Optimierung magnetischer Eigenschaften. Durch die Kombination von Designverbesserungen, Steuerungsstrategien und Echtzeitüberwachung werden die negativen Auswirkungen der Sättigung minimiert und die Gesamtleistung des Motors verbessert.
