Konstruktion und Fertigung einer Magnetfeldmessvorrichtung

Bedingt durch gesetzlich verordnete Vorgaben zur effizienten Energieverwendung werden neue Technologien in der Gestaltung von Elektromotoren angewendet. Besonders der Wirkungsgrad von Kleinmotoren soll gesteigert werden. Am häufigsten wird im Leistungs-Bereich über 1 kW der Asynchronmotor in der Ausführung Käfigkurzschlussläufer eingesetzt. Als Alternative hierzu wurde der permanenterregte Synchronmotor (PM-Motor) entwickelt, wobei der Einsatz von Permanentmagneten mit hoher Feldstärke zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades von bis zu 10 % in der Motor- und Generatortechnologie führt.

Im Rahmen einer Doktorarbeit, die mit der Unterstützung des Motorenherstellers VEM durchgeführt wird, werden Permanentmagnete (NdFeB), wie sie üblicherweise in Motoren eingebaut werden, in Bezug auf das magnetische Verhalten analysiert. Der Wissenschaftliche Gerätebau entwickelte dazu eine Magnetfeldmessvorrichtung (Abbildungen 1 und 2), um die Magnetfelder von Planmagneten und gebogener Magnete (Abbildung 3) für verschiedene Parameter- und Randbedingungen untersuchen zu können. Aufgrund von hohen Wirbelstromverlusten wird die Temperatur der Permanentmagnete stark erhöht, wodurch sich das Risiko von thermischer Entmagnetisierung und einem vollständig irreversiblen Verlust der magnetischen Eigenschaften erhöht. Die Untersuchungen werden bei Temperaturen bis 150 °C in einem Klimaschrank durchgeführt. Bedingt durch den ohmschen Widerstand und Wirbelstromeffekte ist eine zusätzliche Temperaturerhöhung von ca. 30 K zu berücksichtigen. Bei der Konstruktion wurden die in der Magnetfeldmessvorrichtung eingesetzten Materialien entsprechend ausgelegt.

Für die Messung der Wechselstromverluste in Permanentmagneten unter dem Einfluss des externen Magnetfeldes wurde eine Closed-Loop-Magnetmesstechnik entwickelt. Im einem geschlossenen symmetrischen Magnetjoch, das aus 160 Blechen, von je 0,5 mm Dicke besteht werden die magnetischen Eigenschaften des Permanentmagneten bei variierender Frequenz und Temperatur gemessen. Zwei unterschiedlich geformte Permanentmagnete (gebogene und rechteckig geformte), wie sie in Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM) verwendet werden, können mit diesem Messaufbau gemessen und analysiert werden. Dazu werden entsprechend der Magnetform Zwischenstücke in das Joch eingesetzt. Die nichtkornorientierten Elektrobleche (M450P-50K) mit hoher Permeabilität für das Magnetjoch wurden auf einer Wasserstrahlschneidanlage ausgeschnitten, in einem Schutzgasofen geglüht und oxidiert, so dass sich eine isolierende Eisenoxidschicht bildet. Die Blechpakete werden mit isoliert eingesetzten Gewindestangen fixiert.

Die zu untersuchenden Magnete liegen innerhalb des Magnetjoches zwischen 0,05 mm und 0,2 mm dicken Polyimidfolien. Das obere bewegliche Joch der Vorrichtung kann über eine Spindel feinfühlig in der Höhe verstellt werden. Dadurch variiert die Luftspaltweite. Die Spaltweite wird über eine Messuhr kontrolliert. Die Spulenträger, um die die Kupferspule mit 1000 Windungen zur Erzeugung des Magnetfeldes gewickelt wird, wurden aus dem Kunststoff PEEK hergestellt.



Abb. 1: Laboraufbau der Magnetfeldmessvorrichtung, Magnetjochgröße 403 mm x 403 mm



Abb. 2: CAD-Model Schnittdarstellung der Magnetfeldmessvorrichtung Magnet (NdFeB), mittig, rot dargestellt


                                                                    
Abb. 3: Links, Planmagnet (NdFeB), ca. 40 mm x 20 mm x 4 mm. Rechts, gebogener Magnet (NdFeB), ca. 70 mm x 15 mm x 8 mm