Advertisement

e & i Elektrotechnik und Informationstechnik

, Volume 136, Issue 2, pp 129–134 | Cite as

Vollständig 3D-gedruckte geschaltete Reluktanzmaschine in Klauenpolausführung

  • Johannes RudolphEmail author
  • Nikolaus Trnka
  • Fabian Lorenz
  • Ralf Werner
Originalarbeit
  • 60 Downloads

Zusammenfassung

Dieser Artikel beschreibt den Aufbau einer dreiphasigen geschalteten Reluktanzmaschine in Klauenpolausführung, welche mithilfe eines neu entwickelten additiven Fertigungsverfahrens hergestellt wurde. Der 3D-Multimaterialdruck erlaubt die Verarbeitung von keramischen und metallischen Werkstoffen in einem Druckvorgang, wodurch es erstmals möglich ist, alle elektromagnetisch aktiven Teile eines Elektromotors mittels additiver Fertigung herzustellen. Im Fokus dabei steht die Möglichkeit, vollständig keramisch isolierte Wicklungsstrukturen zu realisieren. Im Gegensatz zu konventionellen, polymerbasierten Isolationsmaterialien besitzen Keramiken deutlich bessere thermische Eigenschaften, wodurch die Überlastfähigkeit und die Leistungsdichte elektrischer Maschinen gesteigert werden können. Das Design der gedruckten Maschine wurde maßgeblich von den Anforderungen des additiven Herstellungsverfahrens bestimmt. Um die Maschine charakterisieren und einordnen zu können, wurde mithilfe einer FEM-Analyse und durch Messung das Drehmoment für unterschiedliche Rotorwinkel bestimmt. Die rechnerisch ermittelten Werte stützen sich dabei auf die Messung der magnetischen Eigenschaften des gedruckten Magnetmaterials. Diese werden mit denen konventioneller Magnetmaterialien verglichen und Unterschiede diskutiert.

Schlüsselwörter

gedruckter Elektromotor 3D-Multimaterialdruck Überlastfähigkeit Leistungsdichte keramische Isolation magnetische Eigenschaften 

Entirely 3D-printed, switched reluctance machine with claw pole topology

Abstract

This article describes the fabrication of a three phase switched reluctance machine with stator claw poles using a novel additive manufacturing technology called 3D multi material printing, which allows the use of metals and ceramics in one printing job. Thus, it becomes possible for the first time to produce all electromagnetic components of an electric machine by additive manufacturing. The focus of the paper is on the possibility to realize winding structures with the substitution of the conventional polymer-based insulation with ceramics, offering better thermal properties. This can be used to increase the overload capacity and the power density. The design of the machine is mainly defined by the requirements given by the additive manufacturing process. To characterize the printed machine, the torque which depends on the rotor position, was measured and calculated with FEM-analysis. The calculation is based on the measured magnetic properties of the printed magnetic material which is compared with conventional magnetic materials of electric machines.

Keywords

printed electric machine 3D-multimaterial printing overload capacity power densitiy ceramic insulation magnetic properties 

Notes

Literatur

  1. 1.
    Pyrhönen, J., Jokinen, T., Hrabovcová, V. (2008): Design of rotating machines (S. 463–491). Chichester: John Wiley. ISBN 978-0-470-69516-6. CrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    Linsmeier, K.-D. (2015): Technische Keramik, Die Bibliothek der Technik Band 208, 3. aktualisierte Aufl. (S. 9) München: Süddeutscher Verlag. ISBN 978-3-86236-081-9. Google Scholar
  3. 3.
    Lorenz, F., Rudolph, J., Werner, R. (2018): High temperature operation and increased cooling capabilities of switched reluctance machines using 3D printed ceramic insulated coils. In 2018 IEEE transportation electrification conference and expo (ITEC), Long Beach, CA (S. 400–405). CrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    Lorenz, F., Rudolph, J., Werner, R. (2018): Design of 3D printed high performance windings for switched reluctance machines. In 2018 XIII international conference on electrical machines (ICEM), Alexandroupoli, Greece (S. 2451–2457). CrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    IEC 60404-6:2003 (2004): Magnetic materials – Part 6: methods of measurement of the magnetic properties of magnetically soft metallic and powder materials at frequencies in the range 20 Hz to 200 kHz by the use of ring specimens, october. Google Scholar
  6. 6.
    Lindner, M., Werner, R. (2014): Hysteresis-model oriented test procedure for soft-magnetic properties of printed or laminated toroids. In 4th international electric drives production conference (EDPC) (S. 1–8). Google Scholar
  7. 7.
    Trnka, N., Werner, R. (2018): Kompensation des frequenzabhängigen Fehlers in der Strommessung bei der Bestimmung von Magnetisierungskennlinien und -verlusten, tm. Tech. Mess., 85(10), 591–601.  https://doi.org/10.1515/teme-2018-0041. CrossRefGoogle Scholar
  8. 8.
    Beckley, P. (2002): Electrical steels: for rotating machines. IEEE power and energy series (vol. 37). London: Institution of Electrical Engineers. ISBN: 0852969805. CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Datenblatt Fluxtrol – A, https://fluxtrol.com/inc/pdf/Fluxtrol-A-Specs.pdf. Abgerufen 22.10.2018, 16.00 Uhr.

Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Austria, ein Teil von Springer Nature 2019

Authors and Affiliations

  • Johannes Rudolph
    • 1
    Email author
  • Nikolaus Trnka
    • 1
  • Fabian Lorenz
    • 1
  • Ralf Werner
    • 1
  1. 1.Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und AntriebeTechnische Universität ChemnitzChemnitzDeutschland

Personalised recommendations