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Um einen magnetgelagerten High-Speed-Antrieb wie hier im Bild zu optimieren, sind viele Parameter zu beachten, die sich dazu gegenseitig beeinflussen. Bild: LTI Motion
Komponentenkonzeption

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Motorentwicklung effizient verbessern

Text: Dr. Christian Redemann, LTI Motion
Die zunehmende Komplexität der Aufgabenstellungen in der Antriebstechnik führt dazu, dass nicht immer Standardmotoren eingesetzt werden können. Gleichzeitig soll auch eine möglichst gute Auslegung bezüglich mehrerer Parameter gefunden werden. Deshalb ist es wichtig, die Entwicklung der Motoren sehr effizient durchzuführen.

Ein Antrieb stellt aus Sicht des Anwenders ein mechatronisches System dar, mindestens bestehend aus einer elektrischen Maschine, Stromrichter und Anschlussleitungen, gegebenenfalls noch ergänzt um Drosseln oder Filter. Neben den klassischen Anforderungen an die Motordaten wie zum Beispiel: Drehzahl und Leistung/Drehmoment sind auch Aspekte wie Prozessumgebung, mechanische Randbedingungen, Materialkosten, Wirkungsgrad und Antriebsregler zu berücksichtigen. Um einen für den Anwender bestmöglichen Antriebsmotor zu finden müssen in der Entwicklung sehr viele Auslegungen durchgeführt werden, da sich die verschiedenen Anforderungen gegenseitig beeinflussen.

Basis für einen Motorentwurf

Die Basis für einen Motorentwurf nach Kundenvorgaben sind die Bemessungsdaten, die zu einem Bohrungsdurchmesser und einer aktiven Länge des Motors führen. Damit ist die Grundlage für den elektromagnetischen Entwurf gegeben. Nach Festlegung einer praktikablen Nutzahl, Polzahl und der Anzahl der Wicklungsschichten kann der Blechschnitt ausgewählt werden. Die Nutgeometrie ist unter Berücksichtigung der Zusatzverluste und der Montagefreundlichkeit auszulegen. Eine geringe Rückenhöhe im Statorblech reduziert den Materialverbrauch und die Abmessungen der Maschine, allerdings steigt dadurch die Flussdichte im Material und somit sinkt der Wirkungsgrad. Bei der Festlegung der Zahnbreite ist zwischen verschiedenen Aspekten wie Platz für Kupfer, maximale Flussdichte im Zahn und damit den Zahnverlusten abzuwägen. Durch den Rotorentwurf werden der Flussverlauf und die Amplitude der Grundwelleninduktion im Luftspalt festgelegt. Die Polradspannung wird mittels Magnetfeldsimula­tionen mit Programmen auf Basis von Finiten Elementen (FE) ermittelt. Zur thermischen Bewertung des Motors werden die Wicklungs-, Ummagnetisierungs-, Zusatz- und gegebenenfalls Gasreibungsverluste im Luftspalt betrachtet. Weiterhin sind bei kurzen Maschinen die Randeffekte sowie der Einfluss von oberschwingungsbehafteten Strömen auf die Verluste zu berücksichtigen.

Neben elektromagnetischen müssen auch mechanische Aspekte beachtet werden. Es ist zu überprüfen, ob zum Beispiel Eigenfrequenzen der Welle im Arbeitsbereich angeregt werden oder der Rotordurchmesser und der mechanische Luftspalt unter Drehzahl zu einer zu hohen Gasreibung im Wellentunnel führen können. Eine mögliche Reduzierung der Magnethöhe zugunsten eines dickeren Wellenkern- und eines dünneren Magnetaußendurchmessers wirkt sich zwar positiv auf die Höhe der Eigenfrequenzen, allerdings negativ auf die Entmagnetisierfestigkeit der Magnete aus.

Unterschiedliche Anforderungen an Wirkungsgrade, Baugröße, Laufruhe, Präzision, mögliche Resistenz gegenüber bestimmten Prozessgasen und Betrieb außerhalb normaler Atmosphäre führen dazu, dass die eingesetzten Maschinen auf die Anwendung hin angepasst beziehungsweise verbessert werden müssen. So ist zum Beispiel die Fähigkeit der Verlustleistungsabgabe eines im Vakuum befindlichen magnetgelagerten Rotors minimal, deshalb dürfen nur sehr kleine Verluste auf den sich drehenden Teilen zugelassen werden, um eine mögliche Entmagnetisierung der Welle zu verhindern.

Im wachsenden Markt der Elektromobilität sollen möglichst Motoren eingesetzt werden, die ohne Getriebe direkt mit den Rädern verbunden werden können. Diese Maschinen müssen sehr hohe Drehmomentdichten aufweisen, weshalb vorrangig permanenterregte Läufer verwendet werden. Allerdings ist der Materialpreis dieser Magnete sehr hoch, so dass der Entwickler diese Maschinen auf ein minimales Magnetvolumen bei gleichzeitig geringem Gewicht und hohem Wirkungsgrad verbessern muss.

Die bisher beschriebenen Aspekte führen dazu, dass die mechanischen und elektromagnetischen Entwürfe nicht isoliert voneinander durchgeführt werden können. Der Maschinenentwurf wird deutlich anspruchsvoller, wenn ein Optimum gefunden werden muss – zum Beispiel geringer Verbrauch von Magnetmaterial, kleiner Gehäusedurchmesser, hoher Wirkungsgrad, kleines Rastmoment und so weiter. In derartigen Fällen sind noch mehr Iterationsprozesse zu durchlaufen. Neben den technischen Eigenschaften muss der Entwickler beim Anpassen auch Preis, Herstellungstechnik und Verfügbarkeit bestimmter Materialien beachten.

Motor automatisiert auslegen

Eine wie oben beschriebene Anpassung wird in der Mathematik als Vektoroptimierung oder multikriterielle Optimierung bezeichnet. Problematisch bei diesen Optimierungen ist, dass die Verbesserung eines Parameters wie etwa eine kleinere Baugröße andere Ziele wie ein maximaler Wirkungsgrad oder einfache Bauweise verschlechtert. Um ein Optimum zu finden, sind die Teilprobleme zu gewichten, sodass der Entwickler ein Gesamtkriterium erhält. Relativ einfach sind Umrechnungen, wenn diese sich in Zahlen ausdrücken lassen wie dem Material­verbrauch in Abhängigkeit zum Wirkungsgrad.

Wenn sehr viele Größen in die Berechnungen einfließen, wird der Aufwand der Anpassung stark ansteigen. Eine automatisierte Auslegung der elektrischen Maschine ist der Schlüssel zu einer effizienten Verbesserung. Dazu müssen bestimmte Randbedingungen eingegeben werden. Das sind Leistung, Drehmoment, Drehzahl und Baugröße. Damit eine Berechnung vollständig erfolgen kann, sind aber noch weitere Angaben notwendig. Dazu werden in einem nächsten Schritt die für die Simulation zu variierenden Parameter wie Magnethöhe und -breite, Zahnbreite, Stator-Durchmesser und so weiter festgelegt und in ihrem Wertebereich vorgegeben. Bei der im Anschluss durchgeführten Simulation erfolgt nicht die Berechnung eines Maschinenentwurfs, sondern zahlreicher Entwürfe mit unterschiedlichen Werten der Parameter entsprechend der Wertebereichvorgaben. Durch Variation und Auslese werden bestimmte Ansätze, die zu keinen befriedigenden Resultaten führen würden, verworfen und nur die besten Entwürfe weiter modifiziert.

Tools für die Berechnung

Als Werkzeug wird MagOpt verwendet. Hierbei handelt es sich um ein Tool, welches in einer Kooperation von mehreren Firmen unter der Leitung des LCM (Linz Center of Mechatronics) entstanden ist. Für die umfangreichen FE-Berechnungen steht ein Rechencluster, bestehend aus einem zentralen Server und über 300 Rechenkernen, zur Verfügung.

Als Beispiel wird das Verbessern eines Antriebs für eine mobile Anwendung vorgestellt. Wesentliche Kriterien waren neben dem Gewicht, den Verlusten und den Materialkosten auch das Rastmoment, da das Gesamtsystem in einer mobilen geräuschempfindlichen Anwendung zum Einsatz kommt. Dabei ist zu beachten, dass die Maschinenentwürfe über alle vier zu verbessernden Eigenschaften – Verlustleistung, Rastmoment, Gewicht und Kosten – jeweils in Abhängigkeit zueinander in einem Diagramm dargestellt werden können.

Wird ein Entwurf ausgewählt (rote Markierung), sind die Auswirkungen auf alle anderen gewünschten Ziele gleichzeitig in einer Anzeige zu sehen. Hier wurde die Maschine ausgewählt, die eine mittlere Masse bei einem minimalen Rastmoment aufweist. Dieser Entwurf führt auch zu geringen Materialkosten. Soll die Masse kleiner sein, müssen dafür andere Eigenschaften verschlechtert werden. Die Darstellung ermöglicht es, selbst mit subjektiver Wichtung der Einzelziele, eine für die Anwendung passende Maschine zu finden. Durch die automatisierte Auslegung konnte innerhalb kurzer Rechenzeit ein Motor gefunden werden, welcher gegenüber dem Vorgängermodell ein um 37 Prozent geringeres Gewicht bei gleichen Motordaten aufweist.

Motoren kundenspezifisch entwickeln

Kundenspezifische Motoren liegen im Trend. Neue Anwendungsgebiete, die sich mit Standardmotoren nicht realisieren lassen, können damit erschlossen werden. Durch vorhandene leistungsfähige Rechentechnik und spezielle Algorithmen können Motoren automatisiert effizient entworfen, auf mehrere Größen hin optimiert und die Ergebnisse dem Anwender transparent dargestellt werden.

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