Analytische und Numerische Berechnung
Analytische Grundlagen
Die Herleitung analytischer Grundlagen für neuartige Maschinenkonzepte stellt einen wesentlichen Schwerpunkt unserer Forschungsarbeit da. So beschäftigen wir uns in einem aktuellen Forschungsprojekt umfassend mit den analytischen Grundlagen der Axialfluss-Asynchronmaschine. Diese beinhalten Gleichungssysteme zur Bestimmung der Luftspaltfelder, der Streufelder und der Drehmomente inklusiv aller Oberwellen. Eine besondere Herausforderung beinhaltet die analytische Betrachtung magnetisch gekoppelter Teilmaschinen, wie sie in einem optimierten Stack vorkommen. Ausgehen von diesen Gleichungssystemen entwickeln wir Simulationsmodelle um das Betriebsverhalten zu untersuchen.
Analytische Berechnungsverfahren zur Rotorverlustbestimmung in PSYM
Konzentrierte Statorwicklungen (Einzelzahnwicklungen) bei permanenterregten Synchronmaschinen (PSYM) haben im Vergleich zu verteilten Wicklungen Kosten- und Fertigungsvorteile und erzeugen aufgrund der kleineren Wickelköpfe auch weniger ohmsche Verluste. Eine konzentrierte Drehfeldwicklung generiert jedoch neben der Hauptwelle von Strombelag und Induktion eine weitaus größere Vielfalt an harmonischen Drehwellen mit relevanten Amplituden als eine verteilte Drehfeldwicklung. Diese Harmonischen führen zum Teil zu exzessiven Wirbelstromverlusten in den Permanentmagneten, in den elektrisch leitfähigen Rotorbandagen und in den Rotorjochen, falls diese massiv ausgeführt sind. Zur Beschreibung und Beurteilung dieser Rotorverluste wurden bei EWT 2-dimensionale analytische Berechnungsverfahren für diese Maschinenart entwickelt.
Als Beispiel ist nebenstehend für eine 10 kW Maschine mit 10 Polen und 12 Nuten und mit je einem Permanentmagnet (Sm2Co17) pro Polteilung die von der 7-ten Harmonischen des Statorstrombelags in einem Magnet hervorgerufene Stromdichteverteilung in tangentialer Richtung angegeben. Die gegenläufige 7-te Harmonische ist für diese Polzahl-Nutenzahl-Konfiguration die schädlichste Harmonische. Die Maschine ist mit dem Nenndrehmoment belastet und läuft mit der Nenndrehzahl von 2000 U/min. Sie arbeitet mit der 5-ten Harmonischen als Hautdrehwelle und hat ein geblechtes Rotorjoch und keine Rotorbandage. Die Wirbelstromverlustleistung in allen Permanentmagneten beträgt 727 W.
Eine Segmentierung der Permanentmagnete in tangentialer Richtung behindert die Wirbelströmung in den einzelnen elektrisch gegeneinander isolierten Magnetsegmenten und ist somit ein wirksames Mittel zur Reduzierung der Rotorverlustleistung. Als Beispiel wird wieder die oben betrachtete Maschine unter dem dort definierten Betriebszustand betrachtet, wobei aber jetzt jeder Permanentmagnet in tangentialer Richtung in je 4 gleiche Segmente unterteilt ist.
Die Stromdichteverteilung in einem Magnetsegment in tangentialer Richtung ist nebenstehend angegeben. Die Wirbelstromverlustleistung in allen Magnetsegmenten beträgt nur noch 71 W.
Magnetische Netzwerke
Eine Alternative zur Berechnung mit Hilfe der finiten Elemente (FEM) stellen die Reluktanznetzwerke dar. Ein elektrisches Ersatznetzwerk bildet dabei den magnetischen Kreis nach. Bei bekannten Flusspfaden und geschickter Diskretisierung sind die erzielten Berechnungsergebnisse denen der FEM gleichzusetzen.
Im Rahmen eines Forschungsprojektes wird diese Methode so erweitert, dass eine automatisierte Berechnung eines elektromechanischen Wandlers ermöglicht wird. Der benötigte Zeit und Berechnungsaufwand reduziert sich gegenüber einer Berechnung mit Hilfe der FEM dabei auf wenige Prozent.
Winding Functions
Mittels der Wicklungsfunktionen (winding functions) lassen sich die Induktivitäten in elektromechanischen Energiewandlern bestimmen. Hierbei ist sowohl eine Berücksichtigung des Wicklungsschemas als auch der Rotorposition gegeben. Ziel unseres Forschungsvorhabens ist es auf Basis dieses Berechnungsprinzips Simulationsmodelle zu erstellen, welche es erlauben die Auswirkungen von Fehlern auf die elektrischen Größen zu untersuchen. Im Umkehrschluss bedeutet dieses, dass sich tatsächlich auftretende Fehler in elektromechanischen Wandlern nur anhand der messbaren Klemmengrößen identifizieren lassen.
