Integrierter Ansatz zur Topologie- und Formoptimierung von Permanentmagnetsynchronmaschinen

Integrierter Ansatz zur Topologie- und Formoptimierung von Permanentmagnetsynchronmaschinen von Heitmann,  Luise
Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Berechnung hochausgenutzter Rotorgeometrien mittels topologischer Optimierung sowie die automatisierte Rückführung der resultierenden Designs in fertigungsgerechte parametrisierte Geometriemodelle. Das Verfahren der Topologieoptimierung wird genutzt, um optimale Materialverteilungen von Magnet, Eisen und Luft bezüglich mathematisch definierter Optimierungsziele im Bauraum des Rotors iterativ und gradientenbasiert zu berechnen. Das Optimierungsproblem umfasst strukturmechanische sowie elektromagnetische Kriterien der permanenterregten Synchronmaschine. Die Topologieoptimierung ist das Strukturoptimierungsverfahren mit den größten Freiheitsgraden und ersetzt damit insbesondere Prozesse des Konzeptentwurfes, die bislang häufig erfahrungsbasiert oder auf Basis bestehender Konzepte durchgeführt werden. Um die berechneten Geometrien daraufhin für weitere Analysen und Planungen verwenden zu können, und damit eine lückenlose Integration in den Entwicklungsprozess zu gewährleisten, ist eine Rückführung der Ergebnisse in eine parametrisierte computergestützte Konstruktion notwendig. Die topologisch optimierten Designs können aufgrund der kontinuierlichen Beschaffenheit der Materialverteilungen das Design nur näherungsweise beschreiben. Die Umwandlung in ein diskretes Geometriemodell lässt daher nicht nur Interpretationsspielraum offen, sondern führt auch zu Abweichungen der berechneten Maschineneigenschaften von den Zielwerten. Zudem sind die entstehenden Strukturen oftmals komplex, unregelmäßig und erfüllen nur grundlegende Fertigungsrandbedingungen. In dieser Arbeit wird ein durchgängiger Umwandlungs-, Bewertungs- und Optimierungsprozess entwickelt, welcher die topologisch optimierten Designs in ein fertigungsund anforderungsgerechtes parametrisches Geometriemodell überführt. Die Maschineneigenschaften werden im Verlauf der Geometrierückführung fortlaufend überwacht, sodass der Einfluss einzelner Bearbeitungsschritte nachvollziehbar ist und kurze Verbesserungsschleifen resultieren. Die Verwendung flexibler splinebasierter Kurven zur geometrischen Darstellung erlaubt eine einheitliche Beschreibung der Eisen- bzw. Luftkonturen, welche durch Freiformen dargestellt werden, sowie der Magneten, welche durch geometrische Grundformen, wie Rechteck- oder Segmentmagneten approximiert werden. Bei der Parametrisierung der Eisenkonturen werden weitere Fertigungsrestriktionen, wie Mindestradien und Mindeststegbreiten, berücksichtigt. Durch Methoden der Formoptimierung wird eine Feinanpassung des parametrisierten Geometriemodells vorgenommen. Schlussendlich kann eine fundierte Auswahl des geeigneten Designs unter Abwägung des Fertigungsaufwands erfolgen. Mithilfe des Optimierungswerkzeugs wird ein Rotordesign berechnet, welches die in dieser Arbeit gestellten Anforderungen an Fertigbarkeit und Funktionalität erfüllt und gleichzeitig eine um 20% reduzierte Magnetmasse aufweist.
Aktualisiert: 2022-06-02
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Gestaltung von Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen für die Metalladditive Fertigung

Gestaltung von Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen für die Metalladditive Fertigung von Mertens,  Axel, Ponick,  Bernd, Urbanek,  Stefan
Die 3D-Gestaltungsfreiheit der Additiven Fertigung kann auch im Elektromaschinenbau vorteilhaft zur Funktionsintegration oder zur Erhöhung des Leichtbaugrads genutzt werden. Dies wird in der vorliegenden Dissertation am Beispiel von Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen erforscht. Da im Fall massiver Rotoren insbesondere im Bereich der Rotoroberfläche Wirbelstromverluste zu erwarten sind, wird zunächst der Ansatz diskutiert, ebendiese Wirbelstromeffekte durch gezieltes Schraffieren der Rotoroberfläche zu unterdrücken. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Gestaltung des Rotors für die Additive Fertigung, wobei insbesondere der weichmagnetische Rotorteil so gestaltet wird, dass eine Schrägungswirkung erzielt wird und gleichzeitig die Magnettaschen axial gerade verbleiben. Die Auswirkung dieser Art der Schrägung wird dabei ausführlich diskutiert und die Erkenntnisse messtechnisch validiert, um daraus letztlich Handlungsempfehlungen zur vorteilhaften Gestaltung von additiv gefertigten Rotoren abzuleiten.
Aktualisiert: 2021-10-20
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Gestaltung von Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen für die Metalladditive Fertigung

Gestaltung von Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen für die Metalladditive Fertigung von Mertens,  Axel, Ponick,  Bernd, Urbanek,  Stefan
Die 3D-Gestaltungsfreiheit der Additiven Fertigung kann auch im Elektromaschinenbau vorteilhaft zur Funktionsintegration oder zur Erhöhung des Leichtbaugrads genutzt werden. Dies wird in der vorliegenden Dissertation am Beispiel von Rotoren permanentmagneterregter Synchronmaschinen erforscht. Da im Fall massiver Rotoren insbesondere im Bereich der Rotoroberfläche Wirbelstromverluste zu erwarten sind, wird zunächst der Ansatz diskutiert, ebendiese Wirbelstromeffekte durch gezieltes Schraffieren der Rotoroberfläche zu unterdrücken. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Gestaltung des Rotors für die Additive Fertigung, wobei insbesondere der weichmagnetische Rotorteil so gestaltet wird, dass eine Schrägungswirkung erzielt wird und gleichzeitig die Magnettaschen axial gerade verbleiben. Die Auswirkung dieser Art der Schrägung wird dabei ausführlich diskutiert und die Erkenntnisse messtechnisch validiert, um daraus letztlich Handlungsempfehlungen zur vorteilhaften Gestaltung von additiv gefertigten Rotoren abzuleiten.
Aktualisiert: 2021-10-20
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Betriebsstrategien permanentmagneterregter Synchronmaschinen über 1 kW Aufnahmeleistung am einphasigen Wechselspannungsnetz

Betriebsstrategien permanentmagneterregter Synchronmaschinen über 1 kW Aufnahmeleistung am einphasigen Wechselspannungsnetz von Liebetrau,  Florian
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Betrieb permanentmagneterregter Synchronmaschinen (PMSM) am einphasigen Wechselspannungsnetz höherer Leistung, im Speziellen größer 1kW Leistungsaufnahme. Dabei liegt der Hauptfokus der Untersuchungen auf den leistungselektronischen Wechselrichterschaltungen, welche für den stabilen Betrieb dieser Maschinen zwingend erforderlich sind. Dies umfasst neben den hardwarespezifischen Betrachtungen verschiedener Schaltungstopologien ebenfalls die, in der jeweiligen Betriebssoftware verwendeten, Regelschleifen zur Ansteuerung. Im genannten Rahmen werden sowohl die typischen Implementierungen solcher Antriebe nach Stand der Technik als auch durch den Autor entwickelter Lösungen untersucht und verglichen. Eine Bewertung erfolgt nach den Kriterien Antriebsgüte, Netzqualität und benötigter Bauraum der passiven Leistungskomponenten. Damit Letzteres erfolgen kann, werden grundlegende Berechnungsvorschriften zur Dimensionierung der jeweilig vorhandenen passiven Elemente vorgestellt. Die getroffenen Schlussfolgerungen stützen sich dabei auf konkrete und untereinander vergleichbare Messungen, welche an entsprechenden Versuchsaufbauten aufgenommen wurden. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Wicklungsauslegung permanentmagneterregten Synchronmaschinen für die unterschiedlichen Betriebsstrategien, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Mittels neu entwickelter Berechnungsmethoden zur Ermittlung angepasster Wicklungsparameter bereits optimierter Magnetkreise können sowohl die Maschine als auch die verwendeten Wechselrichterschaltungen hinsichtlich des jeweiligen Verlustleistungsminimums analysiert werden. Dadurch wird eine komponentenübergreifende Bewertung des Gesamtsystems ermöglicht. Die Anwendung genannter Berechnungsmethoden wird exemplarisch an einer Antriebsmaschine für die unterschiedlichen Wechselrichtertopologien und Regelverfahren nachvollzogen.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Online-Identifikation von akustikrelevanten Antriebsparametern zur Drehmomentwelligkeitsreduktion für PMSM-Antriebe

Online-Identifikation von akustikrelevanten Antriebsparametern zur Drehmomentwelligkeitsreduktion für PMSM-Antriebe von Xu,  Yanhui
Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine systematische Vorgehensweise zur Analyse & Minimierung der Drehmomentwelligkeit für Permanentmagnet erregte Synchronmaschine (PMSM) mittels modelbasierter Verfahren entwickelt, und an einem Motor Prüfstand verifiziert. Die neuen Antriebsparameter, die zur Drehmomentwelligkeit führen können, wie z.B. die Asymmetrie der Strangwiderstände, wurden erkannt, und in einem nichtlinearen Motormodel mit Berücksichtigung von dem magnetischen Sättigungseffekt modelliert. Zur Identifizierbarkeitsuntersuchung der akustikrelevanten Parameter wurde eine Sensitivitätsanalyse fürs gesamte Führungssystem aus dem Regler und dem Motormodel mit Fisher Informationsmatrix durchgeführt. Zur online Ermittlung der akustikrelevanten Parameter wurde das rekursive Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate (Engl. Recursive Least Squares) aufgrund weniger Rechenaufwand und Speicherbedarf angewandt. Zur online Kompensation der parasitären Effekte wurden verschiedene Regelungs- und Steuerungsverfahren, wie z.B. die Flachheitsbasierte Steuerung, neu entwickelt oder angewandt. Die vorgestellte systematische Vorgehensweise zur Minimierung der Drehmomentwelligkeit benötigt keine zusätzliche Hardware und relativ wenig zusätzlichen Rechenaufwand im Vergleich zu der traditionellen feldorientierten Regelung, und kann daher prinzipiell auch in der Fehlerdiagnose, oder in der Online-Schätzung der Wicklungs- und der Rotormagnet-Temperatur eingesetzt werden. Alle in dieser Dissertation vorgestellten Verfahren sind mit Simulations- und Messergebnissen verifiziert, und können prinzipiell in allen Anwendungsfällen der elektrischen Antriebe verwendeten werden.
Aktualisiert: 2020-08-27
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Traktionsantrieb für ein elektrisch betriebenes landwirtschaftliches Fahrzeug

Traktionsantrieb für ein elektrisch betriebenes landwirtschaftliches Fahrzeug von Zhitkova,  Svetlana
Aus verschiedenen Gründen wird eine Elektrifizierung und Hybridisierung von Kraftfahrzeugen angestrebt. Die Integration von elektrischen Traktionsantrieben hat ein hohes Potenzial bei unterschiedlichen Kraftfahrzeuganwendungen aufgezeigt. Im Bereich der landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuge wird dieses Thema immer stärker diskutiert. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit ein. Die vorliegende Dissertation betrachtet ein hybridisiertes Konzept eines landwirtschaftlich genutzten Traktors. Es sind verschiedene Antriebstopologien für die landwirtschaftlichen Fahrzeuge denkbar. Studien weisen auf Vorteile des Radnabenantriebs hin. Die vorliegende Arbeit fokussiert auf diese Topologie und beschreibt die Auslegung und Dimensionierung eines Elektromotors, der als Radnabenantrieb in der Vorderachse eingesetzt wird. Die besondere Problematik bei der Entwicklung des Traktionsantriebs des betrachteten Traktors besteht darin, dass sich aus den Fahrzeuganforderungen eine hohe Drehzahlspreizung für den Traktionsmotor ergibt. Einerseits sind hohe Drehmomente bei geringen Drehzahlen gefordert, anderseits ist eine hohe Drehzahl bei geringem Drehmoment für die Straßenfahrt spezifiziert. Für diese Betriebspunkte ist der S1-Dauerbetrieb gefordert. Eine kurzzeitige Überlastfähigkeit des Elektromotors in diesen Betriebspunkten kann somit nicht genutzt werden um beide Drehmoment- und Drehzahlanforderungen zu erfüllen. Zusammen mit dem stark eingeschränkten verfügbaren Einbauvolumen stellen die widersprüchlichen Motoranforderungen eine Herausforderung für die Auslegung elektrischer Maschinen dar.
Aktualisiert: 2020-01-15
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Methoden zur Bewertung von Oberwelleneffekten in permanentmagneterregten Synchronmaschinen kleiner Leistung

Methoden zur Bewertung von Oberwelleneffekten in permanentmagneterregten Synchronmaschinen kleiner Leistung von Putri,  Aryanti Kusuma
Heutzutage werden elektrische Maschinen kleiner Leistung als Antriebe verschiedener alltäglicher Anwendungen, wie z.B. als Nebenantriebe in Kraftfahrzeugen und in Haushaltsgeräten, eingesetzt. Bei diesen Kleinmaschinen, die in hohen Stückzahlen produziert werden, sind die Produktionskosten von entscheidender Bedeutung. Gleichzeitig ist eine hohe Leistungsdichte aufgrund des begrenzten Bauraums und des geringen Gewichtes bei mobilen oder tragbaren Anwendungen erforderlich. Aus diesen Gründen werden häufig schnelldrehende permanentmagneterregte Synchronmaschinen (Hochdrehzahl-PMSM) gewählt. Die hohe Leistungsdichte der Hochdrehzahl-PMSM ermöglicht auch einen ressourcensparenden Materialeinsatz, der zu geringeren Kosten führen kann. Durch die hohe Drehzahl bzw. elektrische Grundfrequenz sind die parasitären Effekte, die von den Oberwellen der magnetischen Felder verursacht werden, stärker ausgeprägt. Beispielsweise steigen die Ummagnetisierungs- bzw. Eis enverluste mit der Frequenz. Als weiterer wichtiger parasitärer Effekt ist das akustische Verhalten der Maschine zu nennen. Dieses hängt sowohl mit den Frequenzen als auch mit den Amplituden der Kraftanregungen zusammen. In dieser Arbeit werden die Entstehungsmechanismen von parasitären Effekten in Antriebssystemen kleiner Leistung dargestellt und mögliche Maßnahmen zur Minimierung der Oberwelleneffekte untersucht und bewertet. Die Harmonischen der Luftspaltfelder, die mit bestimmten parasitären Effekten verbunden sind, werden identifiziert. Durch die Identifikation von Ursachen können Maßnahmen zur Modifikation der Maschinengeometrie vorgenommen werden, die gezielt diese Ursachen unterdrücken.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Schnell drehende elektrisch-mechanische Antriebe für mobile Arbeitsmaschinen

Schnell drehende elektrisch-mechanische Antriebe für mobile Arbeitsmaschinen von Schröter,  Jan
Elektrische Radnabenantriebe sind aufgrund der geringen Leistungsdichte und den daraus resultierenden hohen Kosten bisher nur vereinzelt und in Nischen in mobilen Arbeitsmaschinen im Einsatz, wobei bisher nicht auf elektrische Maschinen mit hohem Drehzahlniveau gesetzt wurde. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmalig das Potenzial schnell drehender, elektrisch-mechanischer Antriebe, eingesetzt als Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen hinsichtlich Leistungsdichte, Effizienz und erzielbarer Geschwindigkeitsspreizung bewertet und nutzbar gemacht. Hierzu wurde eine Methodik zur Projektierung schnell drehender, elektrisch-mechanischer Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen vorgestellt und beispielhaft für Radnabenantriebe eines Ackerschleppers angewandt. Das Potenzial wurde anhand der Komponenten- und Systemerprobung der realisierten Prototypen aufgezeigt. Der Benchmark mit den etablierten und konkurrierenden hydrostatisch-mechanischen Radnabenantrieben zeigte auf, dass schnell drehende elektrisch-mechanische Fahrantriebe trotz der unterlegenen Leistungsdichte, jedoch aufgrund der besseren Effizienz und der größeren, stufenlos erreichbaren Geschwindigkeitsspreizung eines Fahrzeugs zukünftig das Potenzial zur Substitution der herkömmlichen hydrostatisch-mechanischen Antriebssysteme im Bereich mobiler Arbeitsmaschinen besitzen.
Aktualisiert: 2023-03-30
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Modellbasierte geberlose Positions- und Drehzahlschätzung für permanentmagneterregte Synchronmaschinen

Modellbasierte geberlose Positions- und Drehzahlschätzung für permanentmagneterregte Synchronmaschinen von An,  Lu
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines modellbasierten Verfahrens zur Schätzung der Rotorposition und Rotordrehzahl für die geberlose Regelung von permanentmagneterregten Synchronmaschinen im niedrigen Drehzahlbereich. Beim Einsatz dieses Schätzverfahrens wird kein zusätzliches Injektionssignal im Betrieb der Maschine benötigt. Die geberlose Regelung soll mit möglichst geringem Rechenaufwand und wenigen Hardwareanforderungen auf Basis dieses Verfahrens implementiert werden. Der Ansatz der vorliegenden Arbeit besteht darin, anstelle von injizierten Signalen ein präziseres Beobachtermodell gegenüber dem allgemeinen Grundwellenmodell zu erstellen. Dafür ist eine detaillierte mathematische Beschreibung des elektromagnetischen und mechanischen Verhaltens der Maschine erforderlich. So wird zusätzlich der Einfluss parasitärer Effekte auf die Maschinenparameter wie z.B. die Induktivität, der ohmsche Widerstand und die Flussverkettung in dem Modell berücksichtigt. Da die Auswirkungen dieser parasitären Effekte vom jeweiligen Betriebspunkt der Maschine abhängen, variieren die Maschinenparameter je nach Betriebspunkt. Somit ist es möglich, anhand dieser zusätzlichen Informationen auf die Rotorposition und -drehzahl zurück zu schließen. Die Ermittlung der betriebspunktabhängigen Maschinenparameter wird durch die bereits bei der Maschinenauslegung eingesetzte Finite-Element-Methode (FEM) ermöglicht. Zur Erweiterung werden diese veränderlichen Maschinenparameter in das Beobachtermodell integriert. Durch die online Übertragung von Klemmenstrom und -spannung kann durch das entwickelte Beobachtermodell einzig anhand dieser zwei Größen die Rotorposition und -drehzahl berechnet werden und somit die Regelung der Maschine sensorlos erfolgen.
Aktualisiert: 2020-12-08
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