Messungen zur Optimierung der Magnetkreise von Drehstrommaschinen

Messaufgaben

Für die Optimierung der Magnetkreise leistungsstarker Drehstrom-Synchronmaschinen und Drehstrom-Asynchronmaschinen wurden in enger Zusammenarbeit mit einem Hersteller parallel

  • EPSTEIN-Proben
  • Ringkern-Proben

untersucht.
Bestimmt wurden

  • die Hystereseverluste P(J)Hyst. im quasistatischen Gleichfeld
  • die frequenzabhängigen Magnetisierungskennlinien J(H) bis Hmax ≈ 30.000A/m
  • die frequenzabhängigen dynamischen Ummagnetisierungsverluste P(J) bei Frequenzen 
    von 50Hz und 60Hz und den jeweiligen 3./5./7. Oberwellen

Die dynamischen Ummagnetisierungsverluste wurden ermittelt

  • bei sinusförmigem Zeitverlauf J(t) = J^*sinωt
  • bei trapezförmigem Zeitverlauf J(t)
  • bei weiteren Zeitverläufen J(t)

der Polarisation.

Ergebnisse (Auswahl)
J(H)-Magnetisierungskennlinien

Erwartungsgemäß unterscheiden sich die J(H)-Magnetisierungskennlinien der EPSTEIN-Proben von denen der Ringkern-Proben im Bereich unterhalb des Knies.

J(H)-Magnetisierungskennlinien für EPSTEIN & Ringkern

Im dargestellten Untersuchungsbeispiel werden für Austeuerungen J > 1,50T die J(H)-Kennlinien

  • unabhängig von der Form der Probe
  • unabhängig von der Frequenz
P(J)-Verlustkennlinien

Schwerpunkte dieser Untersuchungen waren die Bestimmung

  • der frequenzabhängigen Verlustkennlinien P(J,f)
  • der Verlustkennlinien bei unterschiedlichen Zeitverläufen der Flussdichte B(t)

Wie bei der J(H)-Kennlinie auch gab es unterschiedliche P(J)-Kennlinien für die EPSTEIN- und die Ringkern-Proben.
Für den Auftraggeber war insbesondere der Kennlinienverlauf bei hohen Aussteuerungen (J > 1,5 T) von Interesse.

Verlustmessungen bei trapezförmiger Polarisation

Die Übertragung der gemessenen Verlustwerte P(J) auf die i. allg. inhomogen ausgesteuerten Magnetkreise in den elektrischen Maschinen ist problematisch. So ist z. B. der bei Verlustmessungen durch den Standard vorgegebene sinusförmige Zeitverlauf der Flussdichte B(t) = B^*sin(ω*t) i. d. R. nicht charakteristisch für die Betriebsbedingungen.
U. a. aus diesem Grunde wurden zusätzlich die Verluste P(J) bei davon abweichenden Zeitverläufen J(t) bzw. B(t) bestimmt.
Die Untersuchungen werden am Beispiel einer Verlustmessung mit Flussdichten B(t) mit trapezförmigem Zeitverlauf erläutert.

Ringkern-Messung J(t) trapezförmig

Ringkern-Messung Uj(t) für J(t) trapezförmig

Charakteristisch für den trapezförmigen Zeitverlauf der Polarisation sind

  • die Flanken mit einem konstanten Anstieg dΦ/dt ~ dJ(t)/dt ≈ const.
  • das Plateau bei J = J^ = const. mit einem Anstieg dΦ/dt ~ dJ(t)/dt = 0

Die Ummagnetisierungsvorgänge erfolgen in den Flankenanstiegen, die Ummagnetisierungsverluste hängen entsprechend stark von den Anstiegen dJ(t)/dt  ab.
Die Zeitabschnitte

  • mit dynamischer Magnetisierung (Hysterese - & Wirbelstromverluste)
  • mit statischer Magnetisierung (Hystereseverluste)

können getrennt ausgewertet werden.

Sowohl die gemessenen Magnetisierungskennlinien J(H) wie auch die Verlustkennlinien P(J) konnten mathematisch sehr gut beschrieben werden.



In Zusammenarbeit mit einem Motorenhersteller wurden die

der eingesetzten Elektrobänder bestimmt.
Gemessen wurde an streifenförmigen EPSTEIN- und an Ringkern-Proben.

Durch Variation der Messparameter wurden die Magnetisierungs-bedingungen den Kernen der E-Maschinen angenähert.
Mit den nach Abschluss der Untersuchungen mathematisch formulier-ten Kennlinien werden die magnetischen Eigenschaftsfunktionen
J(H) und P(J) sehr gut wiedergegeben.