Elektrische Maschinen

Durch ihren einfachen Aufbau sind Reluktanzmotoren kostengünstig herzustellen und bieten dennoch großes Potential in der Energieeffizienzsteigerung. Aus diesem Grund ist es essentiell diesen Motortyp in seiner Gesamtheit berechnen und betrachten zu können. In diesem Projekt wird mittels Open-Source-FEM Software ein Workflow erstellt, der sowohl den Reluktanzmotor mechanisch, als auch magnetisch berechnen kann. Des Weiteren wird an alternativen Rotorgeometrien gearbeitet, die sich mittels Optimierungsalgorithmen parametrisieren lassen. Es wird der Einfluss von zusätzlichem Magnetmaterial, das in die Rotorbarrieren eingebracht wird, auf die Performance des Antriebs untersucht. 

Durch den Wegfall von Verbrennungsmotoren rückt in Elektrofahrzeugen das akustische Verhalten der Antriebe in den Fokus und muss beider Auslegung berücksichtigt werden. Zur Reduktion von Rechenzeit wird ein analytischer Ansatz zur Berechnung genutzt, wobei die Statorgeometrie durch ein Ringmodell und die Statorzähne durch Massepunkte auf dem Umfangbeschrieben werden. Analytische Formeln ermöglichen hieraus die Berechnung von Eigenfrequenzen und resultierenden mechanischen Schwingungen.

Um Endprodukte möglichst kostengünstig produzieren zu können, setzten Industrieunternehmen häufig auf die sogenannte Gleichteilstrategie. Ziel ist es, möglichst viele identische Teilkomponenten in unterschiedlichen Endprodukten zu verbauen, sodass diese in möglichst großen Stückzahlen zu einem möglichst günstigen Serienpreis von extern bezogen werden können. Als Vorreiter ist hier die Automobilindustrie zu nennen. Hier ist es bereits seit einigen Jahren sogar üblich Teilkomponenten konzernübergreifend zentral zu beschaffen. 

Aus technischer Sicht beinhaltet diese betriebswirtschaftliche Strategie jedoch einige Hürden. Der Antriebsstrang eines batterieelektrischen Fahrzeugs besteht im einfachsten Fall aus der Traktionsbatterie, einem Umrichter und einer E-Maschine. Jedes dieser Systeme besteht wiederum aus einzelnen Teilkomponenten wie z.B. dem Batteriemanagement, dem Rotorlagegeber, der Spannungs-, Strom- und Temperatursensorik. Alle Komponenten weisen jeweils unterschiedliche Toleranzen auf. Es ist jedoch essenziel, dass durch diese Toleranzen die funktionale Sicherheit nicht beeinträchtigt wird und alle Anforderrungen in allen Betriebspunkten des batterieelektrischen Fahrzeugs eingehalten werden.

Um bereits frühzeitig im Entwicklungsprozess die späteren Gesamtkosten des Antriebsstrangs beziffern zu können, ist das Wissen über die Wiederverwendbarkeit einzelner Teilkomponenten aus Vorgängerprojekten essenziel. In diesem Zusammenhang wird ein Simulationstool mit besonderem Augenmerk auf die zulässige Drehmomenttoleranz des Antriebsstrangs entwickelt. Ziel ist es, in diesem Simulationstool einzelne Teilkomponenten leicht gegeneinander austauschen zu können, um so die Auswirkungen auf die funktionale Sicherheit und die gegebenen Anforderrungen untersuchen zu können.

Bestehende reduzierte Modelle zur Berechnung von Wirbelstromverlusten im Blechpaket basieren auf Verlusttabellen, die durch FEM-Simulation bei einer Referenzdrehzahl gewonnen werden. Anschließend wird eine Skalierung über die Drehzahl vorgenommen. Der Strom wird bei der Berechnung dieser Tabellen im dq-Koordinatensystemkonstant gehalten. Bei Spannungsspeisung weisen die Ströme im dq0-KoordinatensystemallerdingsOberwellen auf, die zusätzliche Verluste verursachen. Ein Modell, welches diese Verluste betrachtet wurde entwickelt, in dem magnetostatische FEM-Simulationen als Tabellen hinterlegt wurden. Die erzielten Resultate sind vergleichbar zu den FEM-Ergebnissen.

PyEMMO (Python Electrical Machine Modeling in ONELAB) ist ein Programm zur automatisierten Generierung von FEM-Modellen elektrischer Maschinen in der Open-Source FEM-Software ONELAB.

ONELAB ist ein universell einsetzbares FE-Tool und setzt sich aus den Programmen Gmsh (Netzerzeugung) und GetDP (Multiphysik FE-Solver) zusammen. Damit eignet es sich zur Lösung von elektromagnetischen, thermischen, mechanischen und weiteren Problemstellungen (2D/3D).

Mit PyEMMO ist es möglich auch ohne Kenntnisse in der ONELAB-Programmiersprache elektrische Maschinen zu berechnen. Der objektorientierte Aufbau von PyEMMO erleichtert die Erweiterbarkeit und Verständlichkeit der Software. Neben der Automatisierung der Modellerstellung bietet PyEMMO zusätzlich, nützliche Funktionalitäten beispielsweise zur automatisierten Vernetzung, Ergebnisauswertung und vieles mehr.

Durch die Erwärmung der Bestandteile einer Werkzeugmaschine im Betrieb kommt es zu thermisch induzierten Verlagerungen am Werkzeug (Tool-Center-Point, TCP). Diese reduzieren signifikant die erreichbare Bearbeitungsgenauigkeit und sorgen für Ausschuss beim Anlaufen der Maschine. Vor allem die Motorspindel, bzw. der in die Spindel integrierte Elektromotor, trägt dabei zur Erwärmung und Verlagerung bei. Das Ziel dieses Projektes ist es, die thermisch bedingte Verlagerung des TCP auf Basis von Simulationsmodellen zu korrigieren und somit die erreichbare Fertigungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen signifikant zu steigern. Dieses Projekt erfolgt in Kooperation mit der Fakultät Maschinenbau der THWS.

Zur Steigerung der Ausnutzung werden für el. Maschinen von Hybrid-und vollelektrischen Fahrzeugen immer häufiger Formspulenwicklungen verwendet. Bei zusätzlicher Steigerung der Statorgrundfrequenz in Kombination mit hohen Leiterquerschnitten können zusätzliche Stromwärmeverluste bedingt durch Wirbelströme in den Kupferleitern nicht mehrvernachlässigt werden.

Die geräuschoptimierte Traktionsmaschinenauslegung gewinnt vor allem bei vollelektrischen Fahrzeugen zunehmend an Bedeutung. Die bei diesem Antriebsstrang, von der elektrischen Maschine, erzeugten Geräusche werden als besonders störend empfunden, da das gewohnte Betriebsgeräusch des Verbrennungsmotors fehlt. Dient eine Induktionsmaschine als Antriebsaggregat, kann im Prinzip jede Oberwelle des Luftspaltfeldes zu einer Geräuschabstrahlung führen. 

Um in der Entwicklung frühzeitig akustische Anforderungen berücksichtigen zu können, ist eine möglichst schnelle Berechnungsmethode zwingend erforderlich. Analytische oder quasianalytische Modelle sind im Vergleich zur Finiten-Element-Methode deutlich schneller. Die dann aber prinzipiell zu akzeptierenden Abstriche in der Genauigkeit sollten bei der zu entwickelnden Methodik möglichst gering sein.