Finite-Elemente-Modellierung und -Analyse einer Aussenläufer-Permanentmagnet-Synchronmaschine mit Stern- oder Dreieckschaltung

Abstract

Diese Diplomarbeit befasst sich mit der zweidimensionalen Finite-Elemente-Modellierung und -Analyse einer dreisträngigen Permanentmagnet-Synchronmaschine in Außenläuferbauart mit Stern- oder Dreieckschaltung der Ständerwicklung.<br />Die drei Strangströme im Ständer werden dabei ausgehend von der üblichen feldorientierten Stromregelung in Bezug auf das rotorfeste Koordinatensystem bestimmt. Bei einer Sternschaltung der Ständerwicklung können diese direkt und unmittelbar als Erregung für das Finite-Elemente-Modell verwendet werden. Bei einer Dreieckschaltung der Ständerwicklung hingegen bildet sich zusätzlich ein Kreisstrom in den drei Strängen aus, welcher durch die feldorientierte Stromregelung nicht erfasst werden kann. Dieser ist für jede Belastung und Läuferwinkelstellung vollkommen unbekannt und muss daher durch eine geeignete Methode in der Analyse iterativ bestimmt werden, was eine wesentliche Neuerung dieser Diplomarbeit gegenüber bisher veröffentlichten Arbeiten darstellt.<br />Ausgehend von einem parametrischen Modell für Geometrie und Erregungen samt Konfiguration der Ständerwicklung wird ein hochsymmetrisches, an die Geometrie angepasstes Finite-Elemente-Netz automatisiert generiert.<br />Der nachfolgende Analysealgorithmus für die verschiedenen Läuferwinkelstellungen umfasst die induzierten Leerlaufspannungen in den drei Strängen, das von der Läuferwinkelstellung abhängige Drehmoment bei Vorgabe der Ströme in Bezug auf das rotorfeste Koordinatensystem sowie insbesondere die betriebspunktabhängigen differentiellen Induktivitäten in Bezug auf das rotorfeste Koordinatensystem für Stern- bzw. Dreieckschaltung der Ständerwicklung bei Berücksichtigung des Kreisstromes in der Dreieckschaltung.<br />Die Parametrisierung wird für zwei Geometrievarianten der Außenläufer-Permanentmagnet-Synchronmaschine angewendet und die genannten Ergebnisse werden zwischen den Varianten und den beiden Schaltungen verglichen. Eine Referenzmessung zeigt eine gute Übereinstimmung zu den numerisch berechneten Ergebnissen und somit die Gültigkeit der angewendeten Methoden.<br />

This master thesis covers two-dimensional modelling and analyses of a three phase permanent magnet synchronous machine with an external rotor and a star- or delta-connected stator winding.<br />Using the well-known field-oriented current control with respect to the rotor fixed reference frame, the three stator phase currents can be determined for injection within the finite element model. With the star-connected stator winding, this is straightforward without any further assumptions. On the other hand with the delta-connected stator winding, there is a zero sequence or circular current in the three phases which cannot be included with the field-oriented current control.<br />Consequently, this zero sequence or circular current is completely unknown with each operating point and each angular rotor position.<br />Therefore, an iterative method within the analyses of each angular rotor position evaluates this current according to the stator currents given by the field-oriented current control.<br />To encounter for various geometries, excitations and in particular different configurations of the stator winding, a fully parametric modelling environment is constructed in order to generate the finite element mesh automatically, taking into account for the symmetries of the geometry. The algorithm utilized with the analyses of various angular rotor positions calculates the no-load voltages of the three phases, the electromagnetic torque in dependence on the angular rotor position with different current injections and in particular the the differential two-axes inductances for both star- or delta-connected stator windings including the zero sequence or circular current in the three phases in case of the delta-connected stator winding.<br />The parametric environment is used for comparison of two different geometry designs of the external rotor permanent magnet synchronous machine regarding the different geometries and both connections of the stator winding. The results obtained from the numerical analyses show a good agreement with those obtained from measurements on a prototype machine.