Modellierung und automatisierte Berechnung einer elektrisch erregten Synchronmaschine für einen Sportwagenantrieb

Abstract

Mit der Trendwende der Automobilindustrie hin zur Elektromobilität wird die elektrisch erregte Synchronmaschine (EESM) auch für Fahrzeuge im Straßenverkehr zunehmend interessant. Jedoch setzen sie bis heute erst zwei große Hersteller in Serienfahrzeugen ein. Diese Arbeit beleuchtet dahingehend wie eine EESM zu berechnen und auszulegen ist, um als Sportwagenantrieb eingesetzt zu werden. Um Zeit und Entwicklungskosten zu sparen, sind dabei computerunterstützte Simulationsverfahren mittlerweile Stand der Technik. Diese werden innerhalb der Arbeit mit Optimierungsalgorithmen gekoppelt, um die gestellten Anforderungen bezüglich Drehmoment, Leistung, Effizienz, Akustik, usw. so exakt und zeiteffizient wie möglich zu erfüllen. Zu Beginn wird dabei ein mathematisches Modell der EESM hergeleitet und anschließend beschrieben, wie ein Auslegungsprozess grundsätzlich zu erfolgen hat. Dabei wird die Optimierung des elektromagnetischen Designs mittels sogenannter Meta-Modelle vorgestellt, die in der Lage sind den Optimierungsprozess drastisch zu beschleunigen. Die große Datenmenge, welche notwendig ist um solche Modelle zu trainieren, wird mittels des in Kapitel Drei beschriebenen numerisch-analytisch gekoppelten Berechnungsverfahrens generiert. Dieses ist in der Lage durch den kombinierten Einsatz der Finite-Elemente-Methode mit einem analytischen Post-Processing sämtliche Maschinendaten zeitsparend zu ermitteln. Zusätzlich wird darin ein Verfahren zur schnellen Abschätzung des maximalen Drehmoments eines Maschinendesigns vorgestellt, welches bei der Evaluierung von 3400 Designs eine Reduktion der durchschnittlichen Rechenzeit um den Faktor 5 ermöglicht. Anschließend wird die Genauigkeit der Berechnungsmethodik in einem Messabgleich mit einer ausgeführten EESM verifiziert. Abschließend wird ein fiktiver Prototyp als Sportwagenantrieb mit der in dieser Arbeit vorgestellten Methodik ausgelegt, um die Effektivität des Verfahrens zu zeigen.

Due to the shift of the automotive industry towards electric vehicles electrically excited synchronous machines (EESM) are becoming more and more attractive for manufacturers, because of their ecological properties and price. Currently, only two large original equipment manufacturers use EESMs within their vehicles. This thesis aims to describe how a EESM is sized to be utilized as a sports car drive. To save time and development costs this process is nowadays supported by computer simulation. Within this thesis these simulations will be coupled with a state-of-the-art optimization technique to fulfill the requirements of such a machine as well and as time efficient as possible. Therefore, first a mathemtical model of the EESM is developed, followed by a description of how to properly size a machine for traction purposes. After that an optimization technique called meta- or surrogate modeling is showcased. The data required to train these models is generated by an semi-analytical methodology, combining Finite-Element-Analysis with an analytic post-processing and is described in the third chapter. Additionally, a technique to quickly estimate the maximum torque of a machine design is introduced, which, by using it, reduces the evaluation time of 3400 designs during an optimization to one fifth. In chapter four the simulation technique is validated against measurements of a real-world prototype EESM and finally, in chapter five, a hypothetical EESM is sized for a sportscar drive, showcasing the efficiency of the methods described in this thesis.