Entwicklung eines Berechnungsprogramms für die Erstauslegung von PSM mit vergrabenen Magneten und Oberflächenmagneten

Abstract

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der analytischen Auslegungsrechnung einer elektrischen Synchronmaschine mit Permanentmagneten. Das konkrete Ziel dieser Arbeit ist es, aus einigen grundlegenden Parametern und Vorgaben einen Entwurf zu erstellen, der die Abmessungen und Kenngrößen der Maschine vorgibt. Dabei ist zu Beginn die Bestimmung der Geometrie sehr wichtig, da aus den Geometriedaten und den Materialparametern die elektrischen, magnetischen und mechanischen Kenngrößen berechnet werden. Die Auslegungsrechnung wird auf analytischem Wege durchgeführt. Ausgehend von den Vorgabedaten wird die Geometrie der Maschine entworfen, die möglichen Statorwicklungen angegeben und die Wicklungsparameter berechnet. Nach der Auslegung der Geometrie wird eine Nachrechnung des magnetischen Kreises im Leerlauf durchgeführt. Danach folgt die Berechnung der Streuleitwerte, Induktivitäten und weiteren Maschinenparameter. Die Auslegungsrechnung endet mit einer Abschätzung der Verluste und der Bestimmung des Wirkungsgrades. Anhand eines Beispiels wird die Auslegung einer Maschinen mit vergrabenen Magneten präsentiert. Im Anschluss wird für die gleichen Maschine ein Rotorentwurf mit Oberflächenmagneten durchgeführt. Im Zuge der Diplomarbeit hat sich gezeigt, dass die analytische Berechnung zu Beginn eines Konstruktionsvorgangs einer neuen Maschine ein gutes Hilfsmittel darstellt. In einem weiteren Schritt können die Daten der analytischen Berechnung in einem Finite-Elemente-Berechnungsprogramm weiter verarbeitet werden. Bevor die Maschine tatsächlich aufgebaut wird ist die Erstellung eines Maschinenmodells mit Finiten-Elementen sinnvoll, um die berechneten Parameter zu überprüfen. Zusätzlich können die Modelle, die der analytischen Berechnung zugrunde liegen, weiter verfeinert werden. Die Schwierigkeit ist dabei, die einzelnen Detailmodelle zu einem gesamten Maschinenmodell zusammenzufügen.<br />

This master thesis deals with the analytical design of a synchronous machine with permanent magnets.<br />The aim is to calculate the main parameters and requirements of such machines. At the beginning of the calculation, the definition of the geometry is very important because out of the geometry data and the material parameters most machine parameters can be computed. The design calculation is performed in an analytical way. The evaluation starts with default parameters of the desired machine. The first step is to calculate the geometry, then the parameters of the stator winding are computed. Following the design of the magnetic circuit is carried out.<br />The design is verified by a no-load recalculation of the magnetic circuit. Afterwards the leakage flux, inductances and other parameters of the machine are computed. In the last step, the losses and efficiency factor are estimated. Included in this master thesis is a comparison of the calculated results of interior and surface-mounted permanent magnet synchronous machines. The thesis shows that the analytical calculation at the beginning of a design process of a new machine is a helpful tool.<br />However before the machine can be built, a finite element model of the machine is necessary to check various parameters and make adjustments to the geometry. Therefore, the data of the analytical calculation should be processed in a finite-element method program. In addition, the analytical calculation can be refined further. The difficulty is to put together the various detailed models to a complete machine model.