ISBN 978-3-8439-2922-6

978-3-8439-2922-6, Reihe Energietechnik

Jens Krotsch
Mehrkriterielle Optimierung permanentmagneterregter Synchronmotoren in Außenläuferbauweise unter besonderer Berücksichtigung der Radialkräfte

267 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die Arbeit beschäftigt sich mit Permanentmagnet-Synchronmaschinen in Außenläuferbauform, die als Direktantriebe für Ventilatoren dienen. Laufruhe und Schwingungsarmut sind wichtige Merkmale dieser Antriebe. Die in den Maschinen entstehenden dynamischen Kräfte führen zu resonanten Strukturschwingungen des glockenförmigen Rotors. Den verantwortlichen Anregekraftamplituden kommt daher eine besondere Bedeutung bei der Auslegung und Optimierung zu. Ventilatorantriebe haben einen bereits hohen Entwicklungsstand erreicht, weshalb die Verbesserung einer Eigenschaft überwiegend negativen Einfluss auf andere hat. Die Aufgabenstellung besteht somit im Auffinden der bestmöglichen Kompromisse für den spezifischen Anwendungsfall. Zur Identifikation des Optimierungspotenzials eines Ventilatorantriebes nach dem Stand der Technik wird die bekannte Methode der mehrkriteriellen Optimierung nach dem Pareto-Prinzip herangezogen.

Grundlagen der analytischen und numerischen Berechnung der Vielfalt sowie Amplituden der in den Maschinen entstehenden Kraftschwingungen und -wellen werden beschrieben, deren Einflussgrößen systematisch untersucht und aussichtsreiche Optimierungsparameter aufgezeigt.

Beginnend mit der Formulierung der Anforderungen an ein geeignetes Optimierungsverfahren wird ein hybrider adaptiver Algorithmus entwickelt und dessen Funktion verifiziert. Des Weiteren wird eine Lösung zur Automatisierung des Optimierungsprozesses vorgeschlagen, die auf der Ermittlung der Zielgrößen durch Finite-Elemente-Analyse basiert und eine massive parallele Ausführung berücksichtigt.

Durch Anwendung des Verfahrens wird gezeigt, dass eine selektive Beeinflussung des Anregekraftspektrums möglich ist, wodurch andere erwünschte Eigenschaften deutlich weniger beeinträchtigt werden als durch bisher bekannte Maßnahmen. Pareto-optimale Polformen und Zahnformen werden vorgestellt, die eine erhebliche Reduzierung des Nutrastmoments und der akustisch relevanten Radialkraftamplituden ermöglichen. Ferner werden Stromverläufe und Magnetisierungsverteilungen diskutiert und bessere Kompromisse hinsichtlich der Erfüllung zugrunde gelegter Kriterien vorgestellt als die aus der Literatur bekannten.

Eine Versuchsanordnung und ein Verfahren zur experimentellen Ermittlung von Radialkraftamplituden wird erläutert. Die damit erzielten Messwerte zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der numerischen Optimierung und bestätigen diese.