Methodik zur Auslegung von gewickelten Rotoren für permanenterregte Axialflussmaschinen

Abstract

Die fortschreitende Elektrifizierung in der Fahrzeugtechnik und Industrie macht eine möglichst gute Ausnutzung der verfügbaren Bauräume nötig. Aufgrund der hohen verbauten Speicherkapazitäten bei gleichzeitiger niedriger Energiedichte wird versucht die Antriebe in bisher ungenutzte und für Energiespeicher ungeeignete Bauräume unterzubringen. Dafür können Axialflussmotoren aufgrund ihres scheibenförmigen Aufbaus geeignet sein. Außerdem bieten diese gegenüber Radialflussmotoren bei gleichem Durchmesser eine höhere Drehmomentdichte. Für Radialflussmaschinen wird in Rotorachsrichtung geschichtetes Elektroblech zur Reduktion von Streufeldern benutzt. Dabei sind die einzelnen Schichten parallel zur Magnetflussrichtung ausgerichtet. Für herkömmliche Axialflussmaschinen muss die Ausrichtung entsprechend angepasst werden. Radial ausgerichtete Schichtung würde zu Blechen mit nicht konstanter Dicke führen. Deshalb werden Stahlscheiben mit SMC Elementen zur Streufeldkompensation zwischen den Magneten als Rotoren benutzt.Für Axialflussmaschinen lässt sich trotzdem geschichtetes Elektroblech mit konstanter Dicke benutzen. Dazu kann statt der Stahlscheibe auf einer Nabe aufgewickeltes Blech benutzt werden, auf das die Magnete anschließend aufgeklebt werden. Das heißt allerdings, dass der gewickelte Rotor die gesamten Belastungen aufnehmen muss. Herkömmlicherweise würde man die gesamte Baugruppe mit einer FEM berechnen. Die Schwierigkeit besteht allerdings darin, dass der gewickelte Blechstreifen mehrere hundert Meter lang sein kann, und mit sich selbst eine {Vielzahl an Kontaktstellen} aufweist, und somit sehr aufwendig zu modellieren ist. Außerdem konvergiert dieses Problem nur sehr langsam und die Auswertung bedeutet großen Zeitaufwand. Um die Lösung des Gesamtproblems mit der FEM zu vermeiden wird in dieser Arbeit das Problem modifiziert. Statt des spiralförmig aufgewickelten Elektroblechs zu betrachten, werden stattdessen modelhaft Blechringe nacheinander auf eine Nabe aufgezogen. Das Aufziehen eines Ringes auf eine Nabe lässt sich analytisch darstellen und wie sich so ein Verband in der Praxis verhält ist bekannt. Z.B. in der DIN7990 sind die Eigenschaften und die Berechnung davon veröffentlicht. Hier werden im Wesentlichen modellhaft eine Reihe von Ringen nacheinander aufgezogen und die Eigenschaften dieses Verbandes abgeleitet. Diese Näherung wird in dieser Arbeit dahingehend begründet, dass zwar durch die eigentliche Spiralform eine Asymmetrie in der Belastbarkeit bezüglich der Belastungsrichtung existiert und der Reibkoeffizient bei der Ringmodellierung anders ist, aber diese Fehler lassen sich einerseits durch Anpassung des Reibkoeffizienten ausgleichen und andererseits sind diese Fehler vernachlässigbar klein. Es ist naheliegend die modellierten Blechringe, aufgrund der geringen Dicke üblicher Elektrobleche gegenüber den anderen Abmessungen, als unendlich dünn anzusehen. Dadurch können allgemeinere Aussagen getroffen werden und es werden die dabei auftretenden Fehler charakterisiert und die Grenzen der Anwendbarkeit bestimmt. Damit werden im nächsten Schritt die Belastungsgrenzen für unterschiedliche mögliche Belastungsarten bestimmt, und in welcher Form die Vorspannung zu erfolgen hat, um gleichzeitiges Versagen in jeder Schicht zu erreichen. Es wird außerdem gezeigt, dass nicht nur Plastizieren ein Versagenskriterium ist, sondern dass Abheben der einzelnen Schichten voneinander zum Verlust der Vorspannung und somit zum Versagen führt. Um vorhersagen zu können, wo und in welcher Art und Weise der Rotor versagt, werden allgemeingültige Diagramme für den gewickelten Rotor und einer etwaigen Bandage entwickelt. Es werden dabei auch Grenzen der möglichen Schichtanzahl gesucht, bevor es schon beim Wickeln selbst zu Plastizieren kommt. Die Herstellung der Magnettaschen kann entweder vor dem Aufwickeln durch Ausschneiden der Taschen im Blechstreifen selbst oder nach dem Aufwickeln durch Ausfräsen aus dem Rotor erfolgen. Ersteres wird für die Serienproduktion präferiert, während Zweiteres zur Prüfstandsverifikation von Prototypen bevorzugt wird. Durch die unterschiedliche Herstellung kommt es allerdings zu einer Veränderung des Vorspannungsverlaufs und dementsprechend auch zu einer Veränderung der Belastbarkeit des Rotors. Diese Unterschiede und Auswirkungen {werden untersucht}. Wie stark ein Rotor belastbar ist, hängt unter anderem von der Magnetform und wie die Magnetkräfte durch die Kleberschicht in den Rotor übertragen wird ab. Zur Untersuchung davon wird ein Algorithmus vorgestellt, bei der die Klebeschicht FEM modelliert und die Verformungen in drei charakteristischen Richtungen aufgebracht werden. Die Resultate davon werden in eine Kraftverteilungskurve umgerechnet, die zur numerischen Analyse benutzt werden kann. Dahingehend werden auch Kurven für einfache Magnetformen und eine Methode zur Bestimmung der Magnetform ausgehend von der Kraftverteilungskurve vorgestellt. Der wesentliche Parameter, der die Belastbarkeit des Rotors beeinflusst, ist die Vorspannkraft beim Wickeln. Um während der Produktion diese überprüfen zu können, wird die ideale Position einer Deformationsmessung bei Hohlnaben abhängig von der Geometrie hergeleitet. Außerdem werden Änderungen im Spannungsverlauf bei Verwendung von Hohlnaben gezeigt. Geschlitzte Hohlnaben können Hohlnaben mit axialen Verschraubungen annähern. Diese Methodik ist als Matlab Programm implementiert und wird mit dem kommentierten Code erklärt. Es wird an einem Beispiel untersucht, wie sich die verwendeten Parameter auf die ertragbare Drehmomentkennlinie auswirken.

The current electrification in automotive technology and industry necessitates the best possible utilization of the available installation space. Due to the high built-in storage capacities with a simultaneous low energy density, attempts are being made to accommodate the drives in previously unused and unsuitable installation spaces for energy storage. Axial flux motors can be suitable for this issue because of their disc-shaped construction. In addition, they offer a higher torque density than radial flux motors with the same diameter.For radial flux machines, electrical sheet metal layered in the direction of the rotor axis is used to reduce stray fields. The individual layers are aligned parallel to the direction of the magnetic flux. For conventional axial flow machines, the alignment must be adjusted accordingly. Radially aligned the sheets would be necessary to be produced with non-constant thickness. That is why steel disks with SMC elements are used as rotors to compensate for stray fields between the magnets in practice.For axial flux machines, layered electrical sheet metal with constant thickness can still be used. Instead of the steel disc, sheet metal wound on a hub can be used, onto which the magnets are glued. However, this means that the wound rotor has to absorb the entire load. Conventionally, one would calculate the entire assembly with an FEM. The difficulty, however, is that the metal strip can be several hundred meters long and has many contact points with itself. Therefore, it is very complex to model the problem with FEM. In addition, this problem converges very slowly, and the evaluation takes a lot of time.To avoid solving the complete problem with the FEM, the problem itself is modified in this work. Instead of the spirally wound electrical steel sheet, sheet metal rings are pulled onto a hub. The mounting of a ring on a hub can be solved analytically and the behaviour of such bandages is known and used in practice. The properties and the calculation are published i.e. in DIN7990. This approximation is justified in this thesis by the fact, that there is an asymmetry in the load capacity with regard to the load direction. This is due to the spiral shape of the sheet. The coefficient of friction is different in the ring modelling, but these errors can be compensated by adapting the coefficient of friction and these errors are negligible small.It is obvious that the modelled sheet metal rings may be regarded as infinitely thin due to the low thickness of conventional electrical steel sheets compared to the other dimensions. This allows more general statements to be made and the errors that occur are characterized and the limits of applicability are determined.In the next step, the load limits for different possible types of loading are determined and the form in which the prestressing must be carried out in order to achieve simultaneous failure in every layer. It is also shown that not only plasticizing is a failure criterion, but that lifting of the individual layers from one another leads to a loss of prestress and thus a failure.In order to be able to predict where and in what way the rotor will fail, general diagrams are developed for the wound rotor and drum. Limits to the possible number of layers are also sought before plasticizing occurs during the winding itself.The magnetic pockets can be produced either before winding by cutting out the pockets in the sheet metal strip itself or after winding by milling out of the rotor. The former is preferred for series production, while the latter is preferred for test bench verification of prototypes. Due to the different production, however, there is a change in the preloading and therefore a change in the load capacity of the rotor. These differences and effects are examined.How strong a rotor can be loaded depends, among other things, on the shape of the magnet and the way the magnetic forces are transferred through the adhesive layer into the rotor itself. To investigate this, an algorithm is presented that models the adhesive layer as a FEM model. Deformations are applied in three characteristic directions and the algorithm is used to convert the stresses into a force distribution curve that can be used for numerical analysis. Additionally, curves for simple magnet shapes and a method for determining the magnet shape based on the curve are presented.The main parameter of the load capacity of the rotor is the pre-tensioning force during winding. To check this during production, the ideal position of a deformation measurement for hollow hubs is derived depending on the geometry. Changes in the stress curve when using hollow hubs are also shown. Slotted hollow hubs can approximate hollow hubs with axial screw connections.This method is implemented as a Matlab script. This and the implementation details are explained within the commented code.The entire algorithm requires many material and geometry-dependent parameters. The effect on the torque characteristic is examined using an example. An example how the algorithm can be used to select a suitable electrical steel sheet is presented.