Steigerung der Leistungsdichte von Traktionsantrieben und Aufbau einer hochdrehenden Asynchronmaschine

Die vorliegende Arbeit verfolgt einen systematischen Ansatz zur Steigerung der Leistungsdichte von Traktionsantrieben. Ausgehend von der Definitionsgleichung der mechanischen Leistung rotierender elektrischer Maschinen bewertet sie für alle beteiligten Größen Maßnahmen, die zur Steigerung der Leistungsdichte führen.
Ein Methodenteil bildet die Grundlage für die Berechnung, die Bewertung und den Vergleich unterschiedlicher Maschinen. Aus Flussverkettungen werden Kennfelder berechnet, die neben Grundwellenverlusten auch Oberwellenverluste einbeziehen. Es entsteht ein thermisches Modell, mit dem die Dauerleistung der Antriebe ermittelt wird.
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Zur Steigerung der Drehmomentdichte werden Kühlsysteme gegenüber-gestellt. Mit einer Methode zur Berechnung der Alterung des Isolations-systems wird Überdimensionierung vermieden und die Leistungsdichte der Maschine erhöht. Das Potenzial zur Leistungssteigerung durch den Einsatz von Kupfer als Käfigmaterial von Asynchronmaschinen und durch den Einsatz von Kobalt-Eisen für den magnetischen Kreis wird aufgezeigt.
Der analytische Zusammenhang zwischen der Maximaldrehzahl elektrischer Maschinen und deren Leistungsdichte wird unter Berück-sichtigung der mechanischen Festigkeit hergeleitet. Finite Elemente Analysen bestätigen den gefundenen Zusammenhang.
Die untersuchten Maßnahmen zur Leistungssteigerung werden anhand der Auslegung einer Hochdrehzahl-Asynchronmaschine für den Antrieb eines Oberklassefahrzeugs validiert. Die Wechselwirkungen mit der Leistungselektronik und dem Getriebe werden berücksichtigt.
Konstruktive Maßnahmen ermöglichen die hohe Umfangsgeschwin¬digkeit von 140 m/s. In Messungen werden 3,0 kW/kg Leistungsdichte nachgewiesen. Gegenüber dem Stand der Technik wurde somit eine Steigerung der Leistungsdichte um Faktor drei erreicht.

The present work pursues a systematic approach to increasing the power density of traction drives. Starting from the definition of the mechanical power of rotating electrical machines, it evaluates for all variables involved measures that lead to an increase in power density.
A method section forms the basis for the calculation, evaluation and comparison of different machines. Characteristic maps are calculated from flux linkages, incorporating harmonic losses as well as fundamental losses. Then a thermal model is created to determine the continuous duty power of the motors.
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To increase the torque density, cooling systems are compared. A method for calculating the ageing of the insulation system prevents oversizing and increases the power density of the machine. The potential to increase the performance by using copper as cage material of induction machines and by using cobalt-iron for the magnetic circuit is demonstrated.
The analytical correlation between maximum speed of electrical machines and their power density is derived. The mechanical strength is taken into account. Finite element analyses confirm the relationship found.
The design of a high-speed induction machine with a maximum speed of 30,000 rpm meets the requirements for the drive train of a premium class vehicle. The interactions with power electronics and the transmission are considered.
Constructive improvements enable the high circumferential speed of 140 m/s. Measurements prove a power density of 3.0 kW/kg. Compared to the state of technology, the continuous duty power density has consequently been increased by a factor of three.