| Zusammenfassung: |
Seit der Erfindung der ersten elektrischen Maschinen gibt es das Bestreben deren Leistungsdichte zu erhöhen. Ein besonderes Potential bieten in dieser Hinsicht feldorientiert geregelte permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM). Die heute zur Verfügung stehenden Materialien erlauben große Freiheiten, sowohl bei der Gestaltung des permanentmagneterregten Rotors, als auch bei der des Stators. Durch den wachsenden Bedarf an hoch integrierten Antriebslösungen ist es nötig, die PMSM, als Herzstück des Antriebs, in Zusammenhang ihres mechatronischen Kontexts zu sehen. Diese Arbeit befasst sich mit dem Entwurf und der Modellierung einer hoch ausgenutzten PMSM und stellt ein modulares hierarchisches Entwurfsverfahren vor, das den Motor, eingebettet in seinen mechatronischen Kontext, behandelt. Der Schwerpunkt wird dabei auf den Entwurf des elektromagnetischen Kreises gelegt. Besonderes Augenmerk wird auf die analytische Umsetzung der vielfältigen Spezifikationen des Entwurfs und deren Umsetzung in modularen Modellstrukturen gerichtet. Dies reicht von Modellen zur Beschreibung der Stator- und Rotorgeometrie bis zu einer eingehenden Betrachtung der Induktivitäten. Hier liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Einflussfaktoren der Geometrie- und Wicklungsauslegung auf das Induktivitätsverhältnis. Das bestimmt die Eignung eines Motors zur positionssensorlosen Winkelbestimmung im Stillstand. Der Grobentwurf liefert einen auf eine maximale Leistungsdichte optimierten Motorquerschnitt. Dieser wird im nächsten Schritt des Entwurfverfahrens, dem Feinentwurf, an Hand einer neuen Geometrie mit neu entwickelten numerischen Werkzeugen weiter optimiert. Ein allgemeines dynamisches Modell bildet den Abschluss des Entwurfs der PMSM. Bei der dynamischen Simulation können mit diesem Modell die winkel- und lastabhängige Induktivitäten berücksichtigt werden. Die Arbeit schließt mit der Darstellung des, mit dem entwickelten Verfahren entworfenen und aufgebauten, Motors. Die Messergebnisse am Prüfstand bestätigen die Vorhersagen des Modells und verifizieren das Verfahren. Since the days of the invention of the first electrical machines it has been the desire to increase their power density. Permanent magnet synchronous machines (PMSM) exhibit an outstanding potential. Nowadays materials are available that allow a wide variety on stator and rotor design configurations. With the rising demand on integrated electrical drive solutions, the PMSM as the centre of the drive system has to be seen in its mechatronic context. This thesis concerns the conceptual design and modelling of a highly exploited PMSM and presents a modular hierarchical layout method, which handles the motor embedded in its mechatronic context. The key role plays the layout of the electromechanical system. The main focus is on the analytical conversion of the manifold specifications and their transformation into modular structures. This leads from models concerning the stator and rotor geometry to a detailed investigation of the inductances. Especially the influences of geometry and winding layout on the inductance ratio are of great interest. This ratio defines the suitability of a motor for position sensorless control at stillstand. The first step of the layout process yields a motor cross section analytically optimised with respect to power density. In the consecutive step, the motor is further optimised using newly developed numeric calculation tools. A general dynamic model forms the final step of the layout process. This allows the angle- and load-dependent inductances to be integrated in the dynamic simulation. The thesis closes with the presentation of the constructed motor. The measurements on the test rig approve the predicted specification of the conceptual design and verify the procedure. |
