Elektroantriebe für integrierte mechatronische Fluidfördersysteme

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auslegung, Konstruktion und experimentellen Untersuchungen der integrierten Antriebe für eine vorgegebene Axial- und Radialstufe eines modularen Pumpensystems. Dabei wird auf die herkömmliche Kupplung von Pumpe und Motor wegen Erreichen eines hohen Integrationsgrades verzichtet. Dementsprechend fungieren die Pumpenlaufräder als Rotoren.Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine detaillierte Auslegung des integrierten Antriebs für die Axialstufe mit Hilfe mechanischer und magnetischer Lagerungskonzepte erarbeitet. Im Anschluss daran wird die Dimensionierung des Permanentmagnet-Synchronmotors mit einer Nennleistung von 4,5 kW bei 5000 /min und der Magnetlager sowohl analytisch als auch numerisch mit Hilfe der aus der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechneten 2D- und 3D-Modellen erläutert. Dabei wird die mechanische Beanspruchung der für die Fixierung der Oberflächenmagnete verwendeten Glasfaser-Komposit-Bandage analytisch und numerisch mit einem 2D-FEM-Modell berechnet.Gegenstand des zweiten Teils ist der integrierte Antrieb für die Radialstufe. Um eine Integration des Radiallaufrads im Rotor erreichen zu können, wird hierfür ein doppelseitig wirkender Axialfluss-Permanentmagnet-Synchronmotor mit einer Nennleistung von 26 kW bei 2500 /min entworfen. Für diesen Zweck werden entsprechende analytische und numerische 2D- und 3D-FEM-Modelle eingesetzt.Nachfolgend wird auf die Konstruktion und die Fertigung der integrierten mechanisch (INT1) und magnetisch (INT2) gelagerten Prototypantriebe für die Axialstufe eingegangen. Zugleich wird der Aufbau der Motorenprüfstände ohne Wasserbetrieb, also in Luft und des Pumpenprüfstands im Wasser beschrieben. Eine Gegenüberstellung der berechneten und gemessenen Ergebnisse zeigte, dass die angestrebte Nennleistung von 4,5 kW wegen des zu optimistisch angenommenen Anhaltswerts für die Wasserreibungsverluste nicht erreicht werden kann. Demzufolge wurde eine Nachberechnung der gemessenen Wasserreibungsverluste mit einem numerischen 3D-FEM-Modell und einem passenden analytischen Ansatz vorgenommen. Mit diesem numerisch validierten analytischen Ansatz erfolgte anschließend eine Optimierung des Antriebs und des Axiallaufrads aus strömungstechnischer Sicht.