Modellbildung und Analyse von Kraftanregungen in permanentmagneterregten elektrischen Maschinen unter Berücksichtigung von Fertigungseinflüssen

• Modelling and analysis of force excitations in permanent magnet excited electrical machines under consideration of manufacturing influences

Schröder, Michael; Hameyer, Kay (Thesis advisor); Schmülling, Benedikt (Thesis advisor)

Düren : Shaker (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Schriftenreihe zur Elektromagnetischen Energiewandlung 38
Seite(n)/Artikel-Nr.: xvii, 186 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Im Fertigungsprozess von elektrischen Maschinen treten unvermeidlich Abweichungen auf. Wie bei allen Fertigungsprozessen ist nur eine endliche Fertigungsgenauigkeit praktisch erreichbar, so dass jedes gefertigte Bauteil eine Abweichung von seinen idealen Eigenschaften aufweist. In mehrstufigen Fertigungsverfahren können sich diese Abweichungen der einzelnen Bauteile akkumulieren. Für die Konstruktion und Fertigung einer elektrischen Maschine werden die Bauteile entsprechend toleriert, während der elektromagnetischen Auslegung hingegen wird weitestgehend vereinfachend von idealen Werkstoffeigenschaften, Abmessungen und geometrischen Symmetrien ausgegangen. Bei der Auslegung und Berechnung elektrischer Maschinen kommen verschiedene Werkzeuge zum Einsatz. Durch den Einsatz genau rechnender Simulationsmodelle sollen die Entwicklungszeiten und -kosten reduziert und Kosten für den Bau von Prototypmaschinen gering gehalten werden. Der zumeist computergestützte Produktentwicklungsprozess kombiniert verschiedene Entwicklungswerkzeuge aus unterschiedlichen Bereichen. Die methodische Verkettung aller Werkzeuge zu einem iterativen Auslegungsprozess hilft bei der Bestimmung aller charakteristischen Kenngrößen eines elektrischen Antriebssystems in einem angestrebt möglichst kurzen Entwicklungszyklus. Die eingesetzten Werkzeuge unterscheiden sich. Sie können nach Kriterien, wie benötigter Rechen- oder Zeitaufwand, analytische oder numerische Ansätze oder möglicher Informationsgewinn, beziehungsweise Ursachenanalyse unterschieden werden. Allen Methoden gemeinsam ist, dass mit der Auswahl eines Analysewerkzeugs, in der Regel eine Einschränkung des Anwendungsbereichs einhergeht, so dass in den einzelnen Phasen eines Entwurfsprozesses unterschiedliche Methoden bevorzugt zum Einsatz kommen können. Bei der akustischen Bewertung des Entwurfs eines Antriebssystems zum Beispiel, kann dies zur Folge haben, dass, abgesehen von der fundamentalen Kenntnis möglicher auftretender Zugkraft- und Drehmomentoberwellen aus Anregungstabellen, das detaillierte Oberwellenverhalten einer Maschine im initialen, meist analytischen Entwurf nicht betrachtet werden kann. Auch die Auswirkungen von Fertigungseinflüssen können in diesem Entwurfsstadium in der Regel noch nicht bestimmt und bewertet werden. In einer an- beziehungsweise abschließenden Finite-Elemente-Simulation können die Einflüsse sehr viel genauer modelliert und bestimmt werden. Eine Analyse und Zuordnung des Oberwellenverhaltens ist dann aber nur noch indirekt möglich, so dass keine Rückschlüsse mehr auf die Ursachen einzelner Feldoberwellen gezogen werden können. Im Fokus der vorliegenden Dissertation steht der Entwurf einer effizienten Berechnungsmethode zur Bestimmung der Luftspaltflussdichteverteilung unter dem Einfluss von Fertigungsabweichungen bei elektrischen Maschinen und den sich daraus ergebenden elektromagnetischen Kräften. Mittels eines zeiteffizienten und weitestgehend analytischen Rechenverfahrens werden die durch die Abweichungen zusätzlich entstehenden Kräfte über den gesamten Betriebsbereich der elektrischen Maschine bestimmt und charakterisiert. Auswirkungen können über das gesamte Oberwellenspektrum effektsepariert betrachtet werden. Die Anwendung der entwickelten Methodik erfolgt in dieser Arbeit exemplarisch an Beispielen von permanentmagneterregten Synchronmaschinen. Einzelne Einflüsse können selektiv mitberücksichtigt werden, so dass sich ein Werkzeug skalierbarer Detailtiefe ergibt, welches in allen Stadien eines Auslegungs- und Berechnungsprozesses von elektrischen Maschinen effizient eingesetzt werden kann.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Elektromagnetische Energiewandlung und Institut für Elektrische Maschinen [614410]