Propagation of uncertainties across electromagnetic models
Final Report Abstract
Im Gegensatz zur idealen Auslegung weisen produzierte elektrische Maschinen eine Vielzahl von Toleranzen auf, die das Betriebsverhalten der Maschine beeinflussen können. Durch die Variation können parasitäre Effekte auftreten, die beispielweise zu unerwünschten Geräuschanregungen des Gehäuses und des Drehmoments führen können. Die üblicherweise durchgeführte numerische Berechnung mittels der FEM (Finite Elemente Methode) sieht jedoch keine Berücksichtigung der Toleranzen vor. In diesem Transferprojekt wird dazu eine Methodik entwickelt, die stochastischen Einflüsse der Toleranzen zu quantifizieren und auf eine elektrische Maschine der Großserienfertigung zu übertragen. Um festzustellen, welche Toleranzen einen Einfluss auf das Betriebsverhalten haben können, wurde zusammen mit der Firma WILO eine Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) durchgeführt. Diese ergab eine Vielzahl von Toleranzen für Rotor und Stator, die in den folgenden Analysen beachtet werden müssen. Sämtliche als relevant erachteten Toleranzen der FMEA wurden für die Untersuchungen in einem vollparametrischen Finite-Elemente (FE)-Modell implementiert, sodass einzelne und kombinierte Toleranzanalysen durchgeführt werden können. Damit der Simulationsaufwand nicht die zur Verfügung stehenden Kapazitäten übersteigt, wurde das FE-Modell so ausgeführt, dass die Detailtiefe nur an den relevanten Stellen besonders hoch ist. Für die detaillierte Analyse wurde eine transiente Antriebssimulation aufgebaut, die ein Modell der Leistungselektronik, Elektromagnetik und der Mechanik beinhaltet. Die Ergebnisse der transienten Antriebssimulation wurden mit einer Prüfstandsuntersuchung verglichen, für die von WILO Maschinen zur Verfügung gestellt wurden. Die Sensitivitätsanalyse ist unterteilt in eine Einzel- und eine stochastische Analyse. Die Einzelanalyse untersucht den maximalen Einfluss der Toleranzen, während die stochastische Analyse mit einem statistischen Versuchsplan (Design of Experiment, DoE) ausgeführt wird und somit Toleranzkombinationen mit einbezieht. Um die Höhe des Rechenaufwands zu verringern, wurde ein Algorithmus entwickelt, der aus redundanten Toleranzen einer Toleranzgruppe einzelne geometrieabhängige Ersatztoleranzen berechnet. Die Sensitivitätsanalyse wurde ausgeführt für eine ideale Bestromung und für die transiente Antriebssimulation. Dabei zeigt sich, dass Einzeltoleranzen einen höheren Einfluss als Toleranzgruppen besitzen. Für eine umfangreiche Einschätzung ist sowohl eine regressionsbasierte als auch eine varianzbasierte Sensitivitätsanalyse notwendig, um die Einflüsse nicht nur absolut zu quantifizieren, sondern auch deren richtungsabhängigen Bezug zu den Ausgangsgrößen beurteilen zu können. Aus den Ergebnissen konnten Verbesserungsvorschläge in Bezug auf die Toleranzallokation und den Maschinenentwurf ableitet werden. Hierbei lassen sich einige Toleranzen erweitern, wobei einzelne Toleranzen kleiner ausgeführt werden können, sodass die Qualität der Maschine gesteigert und Ausschuss in der End-Of-Line-Prüfung reduziert werden kann, welches wiederum die Wirtschaftlichkeit der Produktion erhöht. Die beantworteten Fragestellungen und Erkenntnisse in diesem Projekt können weiterhin als Basis für die Verbesserung des Themenbereichs „Condition Monitoring“ in Bezug auf elektrische Maschinen genutzt werden, um einen Zusammenhang zwischen sich im Betrieb ändernde Toleranzen und den Ausgangsgrößen der Maschine herstellen und detektieren zu können.
Publications
- “Sensitivity Analysis of Manufacturing Tolerances in Permanent Magnet Synchronous Machines with Stator Segmentation,” in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 35, no. 4, pp. 2210-2221, Dec. 2020
J. Kolb and K. Hameyer
(See online at https://doi.org/10.1109/TEC.2020.3017279) - „Manufacturing Tolerances and their Impacts on Electrical Machines”, in 7. mobilEM Colloqium, Aachen, Germany, October 2020
J. Kolb and K. Hameyer
- "Remanence Deviations in Permanent Magnet Synchronous Machines Evaluated Using a Model Order Reduction Approach," in EMF 2021 – The 12th International Symposium on Electric and Magnetic Fields, Marseille, France, July 2021
J. Kolb, F. Müller and K. Hameyer
