Berechnung, Auslegung und Erprobung hochtouriger, integrierter permanentmagneterregter Luftspulensynchronmotoren

Der Anwendungsbereich von permanentmagneterregten Synchronmotoren kleiner Leistung reicht von Lüfterapplikationen bis hin zu Spindelantrieben. Dabei sind zunehmend Systemlösungen gefragt, deren Einzelkomponenten anwendungsspezifisch entwickelt und optimiert werden.
Der Aufbau der behandelten Luftspulenantriebe beschränkt sich auf eine permanentmagneterregte Rotormagnetspur und ein Statorspulensystem. Ferromagnetische Bauteile werden nicht verwendet. Mit Hilfe eines Kunststoffspritzgussverfahrens können die Motoraktivteile direkt in einen Prozess eingefügt werden. Zudem besteht die Möglichkeit die Rotormagnete und die Spulen in ein Gehäuse einzubauen. Bei dem, in einen Prozess integrierten Aufbau des Motorkonzepts existieren Stromwärme- und Luftreibungsverluste und für eine Motorausführung mit einem Gehäuse sind zusätzlich Lagerreibungsverluste zu berücksichtigen. Eisenverluste, die den Wirkungsgrad schmälern und die dazu führen, dass das thermische zulässige Drehmoment in Abhängigkeit der Drehzahl abnimmt, sind nicht vorhanden. Deswegen eignet sich das vorgestellte Motorkonzept für Anwendungen, bei denen hohe Drehzahlen erreicht werden. Bei einem Prozess, dessen Lastzyklus durch einen hohen Teillastanteil gekennzeichnet ist, weist der Einsatz von Luftspulenantrieben Vorteile gegenüber konventionellen Antrieben auf, da bei dem behandelten Motorkonzept als lastunabhängige Verluste nur Reibungsverluste auftreten.
Auf der Grundlage des Tauchspulenaktors werden drei unterschiedliche Motorkonzepte von Luftspulenantrieben vorgestellt. Zunächst wird die analytische Herleitung der magnetischen Induktionsverteilung der permanentmagneterregten Rotormagnetspur dargelegt. Diese Herleitung bildet den Ausgangspunkt für die analytische Berechnung des Betriebsverhaltens der Luftspulenantriebe. Die analytischen Resultate werden mit denjenigen numerischer Berechnungsmodelle verglichen. Anschließend wird die last- und drehzahlabhängige thermische Ausnutzung der Motorkonzepte mit einem numerischen Modellansatz betrachtet. Die Ergebnisse der Modellierung des Betriebsverhaltens dienen zur optimierten Motorauslegung der Luftspulenantriebe. Durch Parameterstudien wird der Einfluss der unterschiedlichen Geometrieparameter der Motorauslegungen auf die elektromagnetische Ausnutzung untersucht.
Die Motorkonzepte, die auf den optimierten Motorkonzepten basieren, werden als Funktionsmuster gefertigt. Das Fertigungsverfahren der Rotormagnetspur und des Statorstromsystems werden eingehend beschrieben. Um eine maximale Kopplung zwischen den beiden elektromagnetischen Feldern zu erzielen, ist bei der Fertigung im Besonderen auf die Anordnung des Stator- und Rotormagnetfelds zu achten. Abschließend werden die Ergebnisse der experimentellen Funktionsmustererprobung mit den Simulationsergebnissen vergleichend diskutiert.