Auslegungs- und Regelungsmethoden von PMSM mit nicht sinusförmiger Anisotropie für geberlose Regelung und maximales Moment

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden und Kriterien für die optimierte Auslegung von permanent erregten Synchronmaschinen mit Bruchlochwicklung untersucht. Es wur-den Maschinen mit Bruchlochwicklungen gewählt, da diese in der Fertigung wesentlich einfacher und somit kostengünstiger als Maschinen mit verteilten Wicklungen sind und daher immer mehr Verbreitung finden. Dafür weisen sie jedoch einige Nachteile, wie Rastmoment und Pulsationsmoment auf. Diese lassen sich jedoch durch eine gezielte Auslegung minimieren oder durch eine geeignete Regelung kompensieren. Hierzu ist es notwendig, die Maschine nicht nur auf eine Zielgröße zu optimieren, sondern es muss eine Mehrgrößenoptimierung erfolgen. Zu diesem Zweck wird die Pareto Optimierung eingeführt und auf die Optimierung von elektrischen Maschinen übertragen. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der zusätzlichen Optimierung der Maschine für die geberlose Regelung. Die Eignung der Maschine für geberlose Regelung ist gerade bei diesem Maschinentyp besonders interessant, da durch eine ungünstige Auslegung der Maschine unter Umständen gar keine geberlose Reglung möglich ist. Weiterhin handelt es sich bei diesem Maschinentyp meist um kleinere Maschinen im ein- bis zweistelligen kW Bereich. In diesem Bereich verursacht der Geber einen nicht unerheblichen Anteil der Kosten der Gesamtmaschine. Hierzu wurden die verschiedenen Verfahren der geber-losen Regelung untersucht und daraus abgeleitet, welche Maschinenparameter für eine geberlose Regelung optimiert werden müssen. Im Anschluss an die Optimierung der Maschine wurde ein Regelungskonzept für Maschi-nen mit nicht sinusförmiger EMK entwickelt, welches das Pulsationsmoment reduziert. Es wurden zwei Maschinenprototypen aufgebaut und die Verfahren anhand von Messer-gebnissen verifiziert.

In the course of this work methods and criteria for the optimised design of permanent magnet synchronous machines with concentrated windings are investigated. Machines with concentrated windings are becoming more and more popular, due to their simpler construction and therefore cheaper production cost compared to machines with distri-buted windings. For this reasons a machine with concentrated windings was chosen for further investigation. Of course such machines also have some disadvantages. Those are cogging torque and torque ripple due to non sinusodial EMF. Whatever the origin, torque ripple can be minimized by design of the machine and by closed loop control. Therefore it is necessary to optimise the machine not only for one dimensional target functions but for multidimensional target functions. For this reason Pareto optimisation is introduced and adopted to optimising electrical machines. The focus of the work is on the additional optimisation of the machine for sensorless control. Suitability for sensorless control of permanent magnet synchronous machines is especially interesting, due to the fact that depending on the design such machine may not suitable for sensorless control at all. Furthermore this type of machine is often used in low power applications in the range of 1 kW to 100 kW. In this field the cost of the position encoder has significant impact on the cost of the whole machine. To obtain a target function for sensorless control different methods for sensorless control were inves-tigated and it was derived which machine parameters have to be changed to optimise the ability for sensorless control. After the optimisation of the machine a control scheme for machines with non sinusodial EMF was developed which minimises torque ripple due to non sinusodial EMF. Two prototypes were build and the developed methods were verified by measurements.