Abstract - ETH E-Collection

DISS. ETH Nr. 22961
DER NUTENLOSE LAGERLOSE
SCHEIBENLÄUFERMOTOR
Abhandlung zur Erlangung des Titels
DOKTOR DER WISSENSCHAFTEN der ETH ZÜRICH
(Dr. sc. ETH Zürich)
vorgelegt von
DANIEL KLAUS STEINERT
Dipl.-Ing., Technische Universität Dresden
geboren am 05.05.1987
von Deutschland
angenommen auf Antrag von
Prof. Dr. Johann W. Kolar, Referent
Prof. Dr. Jürgen Petzoldt, Korreferent
2015
Kurzfassung
Magnetlager und lagerlose Motoren werden aufgrund ihrer Berührungs-,
Schmiermittel-, Verschleiss- und Wartungsfreiheit bereits in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Hierzu gehören Pumpsysteme für hochreine Flüssigkeiten im Halbleiter- und Pharmaziebereich, Mixer für scherkraftsensitive Medien, Rotationssysteme für die Halbleiterbearbeitung
sowie Antriebe in der Vakuumtechnik. Dabei werden bevorzugt lagerlose Motoren eingesetzt, welche aufgrund der Integration von Magnetlager
und Antrieb im selben Magnetkreis eine geringere Systemkomplexität sowie eine einfachere und kompaktere Bauweise als herkömmliche Motoren
mit Magnetlager aufweisen.
Eine grosse Herausforderung stellen oftmals die hohen elektrischen
Verluste solcher Systeme dar, welche die industrielle Nutzung lagerloser Motoren für Anwendungen mit hohen Drehzahlen bislang verhindern.
Hierzu zählen zum Beispiel lagerlose Lüfter, welche eine hohe Umfangsgeschwindigkeit und damit eine hohe Drehzahl bei gleichzeitig grossem
Rotordurchmesser erfordern. Ohne mechanische Lager wird eine hermetische Kapselung des Motors möglich, wodurch mit lagerlosen Lüftern die
Förderung chemisch aggressiver Gase erleichtert werden kann.
Vor diesem Hintergrund befasst sich die vorliegende Arbeit mit der
Untersuchung eines neuartigen nutenlosen Konzepts lagerloser Scheibenläufermotoren für hohe Drehzahlen bei gleichzeitig geringen Verlusten.
Im Gegensatz zu bisherigen lagerlosen Motoren besitzen die analysierten
Motoren ein ringförmiges Statoreisen ohne Zähne. Bei hohen Drehzahlen
führt dies aufgrund einer homogeneren Verteilung des Magnetfelds im
Luftspalt und des geringeren Eisenvolumens zu deutlich geringeren Verlusten als bei Systemen mit Statorzähnen. Vor allem die stark drehzahlabhängigen Wirbelstromverluste im Rotor werden bei nutenlosen Motoren
nahezu komplett eliminiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden insgesamt fünf Prototypen mit Rotordurchmessern von 22 mm bis 370 mm und Nenndrehzahlen von 3400 U/min
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Kurzfassung
bis 150 000 U/min realisiert, welche das Potenzial der nutenlosen Topologie aufzeigen. Als Anwendungsbeispiel werden zwei dieser Prototypen
als Radial- und Axialventilator ausgeführt und demonstrieren die Leistungsfähigkeit der Motoren in einer industriebezogenen Anwendung im
Leistungsbereich bis 1 kW.
Zu Beginn der Arbeit wird die Funktionsweise der Kraft- und Drehmomentbildung analysiert. Darauf aufbauend werden mögliche Rotor- und
Wicklungskonzepte für den nutenlosen Scheibenläufermotor aufgezeigt
und hinsichtlich ihrer Eigenschaften von Lager und Antrieb evaluiert.
Für ein- und zweipolpaarige Rotoren stehen insgesamt zehn mögliche
Topologievarianten zur Wahl. Der Realisierung der Prototypen gehen Berechnungen der mechanischen Festigkeit des Rotors sowie die Auslegung
des Magnetkreises voraus. Alle theoretischen Untersuchungen werden jeweils mit den zur Verfügung stehenden Prototypen verifiziert.
Eine umfassende Verlustanalyse, welche die einzelnen Verlustanteile im
Stator, Rotor und Umrichter berücksichtigt, ermöglicht die anwendungsspezifische Anpassung der Motoren hinsichtlich einer weiteren Verlustreduktion. Zudem werden sensor- und regelungstechnische Besonderheiten
des Motortyps analysiert, welche zur Lageregelung bei hohen Drehzahlen beachtet werden müssen. Schliesslich werden mit den Prototypen des
lagerlosen Lüfters in radialer und axialer Ausführung die Robustheit des
Systems und die Tauglichkeit für industrielle Anwendungen demonstriert.
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Abstract
Magnetic bearings and bearingless motors are used in various fields due
to their contact- and maintenance-free operation and the absence of lubrication and abrasion. Applications include pumps in the semiconductor
and pharmaceutical industry, mixers for shear-stress sensitive media, rotation systems for semiconductor processing and actuators in vacuum
technology. As in a bearingless motor the magnetic bearing and drive
systems are integrated into the same magnetic circuit, they have a lower
system complexity and a simpler and more compact design compared to
conventional motors with explicit magnetic bearings.
However, the high electrical losses of such systems prevent bearingless motors from being used in industrial high-speed applications so far.
These include bearingless fans, which require high circumferential speeds
and, therefore, high rotational speeds and large rotor diameters. As
mechanical bearings are omitted with bearingless fans, a hermetic encapsulation of the machine is possible, which facilitates the processing of
chemically aggressive gases.
This thesis deals with the investigation of a novel slotless bearingless
disc drive for high rotational speeds. Unlike previous bearingless motors,
these machines have a ring-shaped stator iron without teeth. Due to a
more homogeneous distribution of the magnetic field in the air gap and
due to the lower iron volume, the electromagnetic losses are significantly
reduced compared to systems with slotted stator. Especially the highly
speed-dependent eddy current losses in the rotor are nearly completely
eliminated in slotless motors.
Five prototypes with rotor diameters from 22 mm to 370 mm and rotational speeds from 3400 r/min to 150 000 r/min, which demonstrate
the capabilities of the slotless topology, are implemented. Two of these
prototypes are designed as radial and axial fans and demonstrate the performance of the motors in an industry-related application with output
powers up to 1 kW.
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Abstract
At the beginning of the thesis, the operating principle of force- and
torque-generation is analyzed. Possible rotor magnetizations and winding concepts are identified and evaluated regarding their bearing and
drive performance. One- and two-pole-pair rotors offer a choice of ten different topologies. After the realized prototypes are explained and tested,
the calculations of the mechanical rotor strength as well as the optimization of the magnetic circuit is presented. All theoretical results are
verified in experiments using the available prototypes.
A comprehensive loss analysis, which takes into account the different
loss portions in the stator, the rotor and the inverter, enables further lossreduction by application-specific optimization of the motor. In addition,
specific particularities of the angular sensor system and the field-oriented
control of the slotless bearingless motor, which have to be taken into
account to achieve a stable position control at high rotational speeds, are
analyzed. Finally, the robustness of the system and the suitability for
industrial applications is demonstrated by two bearingless fan prototypes.
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