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more drive 2019
Skalierung und Auslegung von lagerlosen
Miniatur-Scheibenläufermotoren für hohe
Drehzahlen
Dr. Marcel Schuck, M.Sc. Pascal Püntener, M.Sc. Thomas Holenstein, Prof. Dr. Johann W. Kolar
Power Electronic Systems Laboratory, ETH Zürich
23./24. Januar 2019, Wien
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2more drive 2019
Inhaltsverzeichnis
2 4 Folien 2
Einleitung
94 Folien
Skalierungsgesetze &
existierende Hochdrehzahlkonzepte
Zusammenfassung &
Ausblick
Scheibenläufer
Topologie
Optimierung
Prototyp & Messungen
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3more drive 2019
Trend zu hohen Drehzahlen
10
100
1000
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000
Dre
hza
hl (x
10
00 U
/min
)
Leistung (kW)
DentalbohrerPCB Bohrer &
Mikrobearbeitungs-
spindeln
Mikroturbinen &
Turbokompressoren
Industrielle
Gasturbinen
Prototypen Systeme
Neue Anwendungen
Source: Zwyssig et. al., Megaspeed Drive Systems: Pushing Beyond 1 Million r/min, IEEE Transactions on Mechatronics 2009
Anwendungsgebiete von Hochdrehzahlantrieben
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4more drive 2019
Anwendungen von Hochdrehzahlantrieben
Source: Kolar et al., Beyond 1 000 000 rpm Review of Research on
Mega-Speed Drives, COBEP 2007
Drehzahlen von 250’000 – 1‘000‘000 U/min
▫ μ-Vias für PCB Produktion
▫ Hohe Genauigkeit für Mikrofertigung
▫ Beschleunigter Fertigungsprozess
Uhrenindustrie
Waferbearbeitung
μ- Vias für
PCBs
Dentalbohrer
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5more drive 2019
Skalierungsgesetze elektrischer Maschinen
Mechanische Leistung Pm = ωT
Drehmoment T = C ladr2
Winkelfrequenz
Drehmoment
Axiale Länge
Rotordurchmesser
Essonsche Ausnutzungsziffer
• Motortopologie
• Materialien
• Herstellungsprozess
• Kühlung
Maschinengröße
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6more drive 2019
Skalierungsgesetze elektrischer Maschinen
Skalierungsfaktor xd
Konstante GrößenverhältnisseAxiale Länge
Oberfläche AM = 2πrM2 + πrMl ∝ xd
2
Volumen VM = πrM2l ∝ xd
3
PI = RI 2 mit R = ρ𝑙
𝐴I
∝1
𝑥dPI ≤ Qc (!)
Kupferverluste
I ∝ xd1.5
T = Bδ I larw∝ xd3.5
ω = vc /rr ∝ 1/xd
pm = Pm / VM ∝ xd-0.5
Erhöhung der Leistungsdichte
AM VM
Qc
AI
Mechanische
Leistung
Motor Radius
Pm = ωT ∝ xd2.5
Leistungsdichte
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7more drive 2019
Höchstdrehzahlmaschine mit Kugellagern
Demonstratorsystem für 100 W @ 1’000’000 U/min
d Rotor PM 3 mm
Motorverluste 9 W
Lagerverluste 44 W (!)
Geringe Lebensdauer
1 cm
Source: Zwyssig et al., Megaspeed Drive Systems: Pushing Beyond 1 Million r/min, IEEE Transactions on Mechatronics 2009
176’000 rpm
275’000 rpm
858’000 rpm
Biegeeigenschwingungen
innerhalb des Drehzahlbereichs
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8more drive 2019
Höchstdrehzahlmaschine mit Magnetlagern
Demonstratorsystem für 500’000 U/min mit Magnetlagern
Aktive Magnetlager
+ Keine Abnutzung, Lange Lebendauer
+ Regelbare Rotordynamik
- Begrenzte Lagerkraft
- Hoher Kontrollaufwand
- Positionssensor notwendig
Source: Baumgartner et al., Analysis and Design of a 300-W 500 000-r/min Slotless Self-Bearing Permanent-Magnet Motor,
IEEE Transactions on Industrial Electronics 2014
Radiallager
Axiallager
Motorwicklung
Sensor PCB
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9more drive 2019
Magnetgelagerter Scheibenläufermotor
Passive Axialstabilität Passive Kippstabilität Kombinierte WicklungenRadiale Lagerkraft und Drehmoment
werden mit gleichen Spulen erzeugt
pdrv = ppm = 1
pbng = ppm + 1 = 2
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10more drive 2019
Geometrie & Skalierung
Auslegung
Skalierung von Geometrieparametern nutenloser Scheibenläufermotoren
dr δmech hr/rr hs/hr δmag/rr nmax
[1] 102 mm 2 mm 0.29 0.83 0.19 20‘000 U/min
[2] 22 mm 1.4 mm 0.82 0.89 0.41 150‘000 U/min
[3] 4 mm 1 mm 1 0.75 0.88 760‘000 U/min
σmax = Cs ρr ω2 rr
2
[1] Steinert et al., Slotless Bearingless Disk Drive for High-
Speed and High-Purity Applications, IEEE Transactions on
Industrial Electronics 2014
[2] Püntener et al., A 150 000-r/min Bearingless Slice
Motor, IEEE Transactions on Mechatronics 2018
[3] Schuck et al., A High Speed Millimeter-Scale Slotless
Bearingless Slice Motor, IEEE International Electric
Machines & Drives Conference (IEMDC) 2017
Source: Mitterhofer et al., IEEE
Transactions on Industrial
Electronics 2014
[2] Püntener et al., IEEE Transactions on
Mechatronics 2018
[3]
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11more drive 2019
Motormodell
Flussdichteverteilung
Magnetischer Luftspalt
Statorrückschluss
Drehmoment
Axialer Streufluss
Flussdichte im Rückschluss
Source: Steinert et al., Loss investigation of slotless
bearingless disk drives, IEEE Energy Conversion
Congress and Exposition (ECCE) 2015
Füllfaktor Wicklungsfaktor
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12more drive 2019
Motorverluste
Verluste
Metglas 2605SA1
Cm 0.94 W/m3
α 1.53
β 1.72
Bsat 1.56 T
Kupferverluste
Kernverluste
Luftreibung
Rotorverluste (Wirbelstromverluste)
Zylinderflächen Deckflächen
Wirbelstromverluste in Spulen
Source: Steinert et al., Loss investigation of slotless
bearingless disk drives, IEEE Energy Conversion
Congress and Exposition (ECCE) 2015
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13more drive 2019
Optimierungsverfahren
Limitierungen• Verluste / Temperatur
• Sättigung (Rückschluss)
• Passive Axialsteifigkeit
Auslegungsparameter
nmax 750‘000 U/min
hr 2 mm
δmech 1 mm
θmax 65 °C
J 5 A/mm2
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14more drive 2019
Optimierungsergebnis – Pareto Front
Limitierungen• Verluste / Temperatur
• Sättigung (Rückschluss)
• Passive Axialsteifigkeit
Auslegungsparameter
nmax 750‘000 U/min
hr 2 mm
δmech 1 mm
θmax 65 °C
J 5 A/mm2
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15more drive 2019
Hochdrehzahl Scheibenläufer – Prototyp
• Implementierung mittels 3D Druck
• Diametral magnetisierter Scheibenmagnet
• Winkelmessung mittels Hall Sensoren
• Kontaktlose optische Positionssensorik
Infrarot LED
LED Halter
Hall Sensor
Halter
Statorwand
Spulen-
separator
Statorrahmen
Sensorhalter
Optischer
Positionssensor
4 mm
Rotor
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16more drive 2019
Hochdrehzahl Scheibenläufer – Prototyp
• Stabiles magnetisches Schweben bis
420‘000 U/min
• Limitiert durch Regelbandbreite
50 mm Sensor
Anschluss
Umrichter
Anschluss
x (µm)y (µm)
n(x
1000 U
/min
)
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17more drive 2019
Hochdrehzahl Scheibenläufer – Messungen
• Verluste < 1 W @ 420‘000 U /min
• Harmonische Verluste (Stator + Rotor)
• Hohe Rotordynamik / Geringes Trägheitsmoment
• 0 - 420‘000 U/min in 273 ms @ Iq ≤ 1 A
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18more drive 2019
Hochdrehzahl Scheibenläufer – Umrichter
• Sechs integrierte Halbbrücken
• FPGA Regelung
• Digitale Schnittstelle zu Sensoren
49 mm
75 mm
FPGA
PCB
Sensor
Anschluss
Leistungselektronik PCB
DC Zwischenkreis
Motor
Anschluss
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19more drive 2019
Zusammenfassung
Source: Baumgartner et al., Analysis and Design of a 300-W 500 000-r/min
Slotless Self-Bearing Permanent-Magnet Motor, IEEE Transactions on
Industrial Electronics 2014
• Anwendungsgetriebener Entwicklungstrend elektrischer Maschinen hin zu hohen Leistungsdichten
• Hohe Leistungsdichten erzielbar für Hochdrehzahlmaschinen kleiner Baugröße
• Verschleißfreie Lagerung des Rotors mittels Magnetlagern
• Passive Stabilisierung von Axialverschiebungen und Verkippung durch Scheibenläufertopologie
• Auslegungs-/Optimierungsverfahren basierend auf
analytischen Modellen & 3D FEM Simulationen für
Scheibenläufermotoren notwendig
• Pareto-optimales Motordesign für Drehzahlen bis zu
750‘000 U/min & experimentelle Demonstration bis
420‘000 U/min
• Umrichter mit FPGA Regelung notwendig
• Anwendungsmöglichkeiten in optischen Systemen
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20more drive 2019
Fragen
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