Magnetic Circuit With Meandering Double-Multilayer Air Gap Winding and Halbach Array Configuration for Electric Wheel Hub Drives
Final Report Abstract
Im Rahmen des DFG-Forschungsstipendiums wurde das elektromechanische Wandlungsverhalten einer aus mehreren Lagen bestehenden Luftspaltwicklung analysiert. Darüber hinaus wurde untersucht, inwieweit die Motoraktivmasse die Effizienz der elektromechanischen Wandlung beeinflusst. Als Grundlage dieser Nachforschungen dienten sowohl rechnergestützte als auch analytische Modelle. Zur Analyse des elektromechanischen Wandlungsverhaltens wurden transiente FE-Modelle in ANSYS Maxwell® geschaffen. Mit diesen konnten sämtliche Nichtlinearitäten und Randeffekte berücksichtigt werden. Somit war es möglich, die magnetische Flussdichte, die Induktivität, die EMK und das Drehmoment winkelabhängig zu analysieren. Das thermische Verhalten wurde mit Hilfe eines weiteren FE-Modells, erstellt in COMSOL Multiphysics®, untersucht. Darüber hinaus wurde in einem Verhaltensmodell, erstellt in MATLAB®-Simulink®, die Dynamik betrachtet. Mit diesem konnte die elektromechanische Wandlung inkl. Ansteuerung abgebildet werden. Hierfür wurden die gewonnen periodischen Verläufe aus den FE-Modellen durch Fourierreihen zu kontinuierlichen Funktionen entwickelt. Binnen kürzester Zeit konnten so wesentliche Größen näherungsweise analytisch berechnet sowie das grundsätzliche Verhalten simulativ abgebildet werden. Die relevanten Parameter der mehrlagigen Luftspaltwicklung, Lagenanzahl und -höhe, wurden diesbezüglich parametrisch variiert. Es zeigte sich, dass bei einer einheitlichen Stromdichte die maximal erreichbaren Drehmomente für eine spezifische Wicklungshöhe erreicht werden. Das globale Drehmomentoptimum wird ausschließlich durch die Verwendung einer einlagigen Wicklung erreichbar. Die Mehrlagigkeit ermöglicht jedoch das Nutzen von diversen lokalen Optima. Diese bieten im Vergleich zum globalen Optimum die Möglichkeit, eine höhere Induktivität und EMK darzustellen. Um dies zu verdeutlichen, wurden exemplarisch die Magnetkreise mit einlagiger Luftspaltwicklung (globales Drehmomentoptimum) und vierlagiger Luftspaltwicklung (ein lokales Drehmomentoptimum) miteinander verglichen. Zu diesem Zweck wurde jeweils eine aus drei Phasen bestehende Wicklung in Sternschaltung, eine identische Stromdichte und eine konventionelle Blockkommutierung verwendet. Die magnetischen Flussdichten zeigten lediglich geringe Abweichungen zueinander auf. Jedoch begünstigte die Verschaltung der Wicklungen die Ausbeute der elektromotorischen Kraft erheblich. Der Einfluss der Lagenanzahl auf die Haupt- und Gegeninduktivitäten zeigte die erwartete quadratische Erhöhung zur Windungszahl auf. Der Stromrippel kann somit unabhängig von einer Ansteuerung positiv beeinflusst werden. Zusätzlich wurde die Wärmeverteilung in beiden Magnetkreisen miteinander verglichen. Für eine identische Verlustleistung konnte festgestellt werden, dass zum einen keine heißen Bereiche entstehen und zum anderen die maximale Temperaturdifferenz zwischen beiden sehr gering ist. Des Weiteren wurde die radiale Magnetisierung mit einer Halbach Konfiguration verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass eine Reduzierung der Motoraktivmasse mit einer Erhöhung der effektiven magnetischen Flussdichte einhergeht. Anschließend wurde in einem Optimierungsproblem der Einfluss beider Magnetisierungen auf die Leistungsdichte bestimmt. Hierfür wurden diverse Pareto optimale Maschinenauslegungen, als Kompromiss zwischen Masse und Effizienz, berechnet. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass ein wichtiger Beitrag zur Weiterentwicklung von Luftspaltwicklungen geleistet werden konnte. Anhand des entwickelten Magnetkreises und des analysierten elektromechanischen Wandlungsverhaltens können sehr leichte und kompakte elektrische Maschinen für ein breites Anwendungsfeld dargestellt werden.
Publications
- Analytical Magnetic Circuit Design Optimization of Electrical Machines with Air Gap Winding Using a Halbach Array. IEEE International Electric Machines and Drives Conference, May 21-24, 2017, pp. 1-7
Borchardt, Norman; Kasper, Roland
(See online at https://dx.doi.org/10.1109\IEMDC.2017.8001995) - Parametric Model of Electrical Machines Based on Exponential Fourier Approximations of Magnetic Air Gap Flux Density and Inductance. COMPEL - International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Vol. 37.2018, Issue 1, pp.520-535.
Borchardt, Norman; Kasper, Roland
(See online at https://doi.org/10.1108/COMPEL-06-2017-0251) - Multilayer Air Gap Winding Designs for Electrical Machines: Theory, Design, and Characterization. Journal of Engineering, Vol. 2019, Issue 17, pp.3855-3861.
N. Borchardt, R. Kasper, J. Sauerhering, W. Heinemann, K. L. Foster
(See online at https://dx.doi.org/10.1049/joe.2018.8071)
