In der vorliegenden Arbeit wird eine fremderregte Synchronmaschine als Achsantrieb für ein Elektrofahrzeug entwickelt. Als Grundlage hierfür dient ein bereits vorhandener Stator einer permanenterregten Synchronmaschine. Durch die Wiederverwendung des Stators ist eine maschinentypunabhängige Baukastenerweiterung in Form eines magnetfreien Rotors gegeben, wodurch die ökonomischen und ökologischen Nachteile der Permanentmagnete ausgeschlossen sind.
Bei der Auslegung des Rotors wird von Beginn an ein multiphysikalischer Entwicklungsansatz gewählt, mit dem der praxistaugliche Einsatz für den modularen Baukasten sichergestellt ist. Dabei ist die elektromagnetische Auslegung iterativ auf die mechanische Blechpaketfestigkeit, das thermische Verhalten und die magnetischen Geräusche abgestimmt. In Kombination mit den gesetzten Restriktionen ergibt sich ein neuartiges asymmetrisches Polschuhdesign mit dem es möglich ist, das geforderte Drehmoment mit genügend kleiner Welligkeit ohne eine Rotorschrägung zu erreichen. Die Simulationsergebnisse sind durch die Vermessung eines aufgebauten Prototyps validiert und bestätigt.
Ein abschließender Simulationsvergleich mit der baugleichen permanenterregten Synchronmaschine zeigt, dass die fremderregte Synchronmaschine hinsichtlich Performance, Wirkungsgrad und Geräuschverhalten eine konkurrenzfähige Alternative dazu ist.
Aktualisiert: 2022-06-23
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Bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) mit vergrabenen Magneten wird im gesamten Betriebsbereich ein Strom gestellt, der unter Ausnutzung des Reluktanzmomentes das Drehmoment steigert, jedoch eine Schwächung der Erregerflussverkettung des Rotors bewirkt. Jener Feldschwächestrom generiert Stromwärmeverluste in dem Wicklungssystem, reduziert somit den Wirkungsgrad und erhöht die Temperaturen des Motors.
Es existieren Ansätze, den Rotor mittels erzwungener Konvektion über Luftströmung oder Ölkühlung durch die Welle zu entwärmen. Diese Technologien sind bei hochdrehenden Motoren gar nicht oder nur mit großem Aufwand und hohen Kosten einsetzbar. Es muss eine Rotorkühlung bereit gestellt werden, die ohne Reduktion der Volumen-Leistungsdichte und der Massen-Leistungsdichte eine irreversible Entmagnetisierung verhindert und so den thermisch dauerhaft zulässigen Betriebsbereich der PMSM erweitert. Diese Erweiterung ist mittels aktiver Rotorkühlung, die eine Reduktion der Magnettemperaturen bewirkt, abzubilden.
Das Kühlsystem wird in ein validiertes Motordesign integriert, um die Randbedingungen für eine belastbare vergleichende Charakterisierung der neuen Technologie zu schaffen. Alle peripheren Komponenten und die Wicklungstopologie bleiben unverändert. Lediglich die magnetisch aktiven Elemente (Rotor, Stator, Wicklung) werden angepasst, um Bauraum für die Rotorkühlung zu schaffen. Die Bewertung des Einflusses der Rotorkühlung und die damit einhergehende Anpassung der Komponenten auf das Betriebsverhalten des Motors erfolgt auf Basis eines thermischen Modells. Zur Abbildung einer relevanten Anwendung wird der Motor in das Modell eines Elektrofahrzeugs implementiert.
Aktualisiert: 2021-12-20
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