Kalibrierte Leistungssimulation von elektrischen Maschinen - eine Möglichkeit zur Bewertung von nicht vermessbaren Betriebsbereichen und des Einsatzes unterschiedlicher weichmagnetischer Materialien ohne weiteren Musterbau

Inhalt:
In diesem Beitrag wird eine kalibrierte Leistungssimulation vorgestellt. Ziel ist es Aussagen über nicht vermessene Betriebspunkte und den Einsatz verschiedener weichmagnetischer Materialien bereits vor der Fertigung eines weiteren Prototyps einer elektrischen Maschine zu treffen. Bei der untersuchten Maschine handelt es sich um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine. Das bestehende Versuchsmuster wurde, aufgrund des beschränkten Drehzahlbereichs des Prüfstands, nicht bis zu seiner Maximaldrehzahl vermessen. Die kalibrierte Leistungssimulation ermöglicht es, das Verhalten des bestehenden Musters im nicht vermessenen Bereich zu bewerten. Das elektromagnetische und mechanische Design des Musters soll für den Betrieb mit höheren Drehzahlen und Drehmomenten angepasst werden. Die Polpaarzahl wird dabei beibehalten. Durch diese Betriebsbereicherweiterung steigen zum einen die Beanspruchung der Materialien und zum anderen die Verluste. Die kalibrierte Leistungssimulation ermöglicht es, die Auswirkungen dieser Anpassungen bereits vor dem folgenden Musterbau zu bewerten. Ausgehend von der Vermessung des bestehenden Prototyps und des eingesetzten Elektroblechs wird die Leistungssimulation kalibriert. Die Kalibrierung der Simulation ist erforderlich, um Unsicherheiten bei der FEM-Simulation zu reduzieren. Zu diesen Unsicherheiten gehört unter Anderem der Einfluss der Verarbeitung des Elektroblechs. Aus diesem Grund werden mithilfe der Simulation die Verluste nach Entstehungsort und Entstehungsmechanismus separiert, um die Verlustmechanismen einzeln bewerten zu können und die Kalibrierung zu ermöglichen. Da durch die Betriebsbereicherweiterung der Maschine höhere Verluste auftreten, wird weiterhin untersucht, welche Vorteile der Einsatz eines verlustärmeren Elektroblechs hinsichtlich des Verlustverhaltens ermöglicht. Zu diesem Zweck werden Materialproben des eingesetzten Elektroblechs und des verlustärmeren Elektroblechs in einem Epsteinrahmen charakterisiert. Aus den gemessenen Eisenverlusten werden die fünf Verlustparameter für die IEM-5-Parameterformel [1,2] zur Eisenverlustberechnung bestimmt. In FEM-Simulationen werden Strom und Vorsteuerwinkel für die untersuchte Maschine variiert und die Eisenverluste im Postprozessing mit den fünf Verlustparametern bestimmt. Somit können für jeden Betriebspunkt aus Drehmoment und Drehzahl die benötigten Ströme und die auftretenden Eisenverluste errechnet werden. Die Kupferverluste werden anhand des gemessenen Wicklungswiderstands berücksichtigt und als weitere Verlustarten werden Lager- und Luftreibung einbezogen. Die Simulationsdaten werden mit den Messdaten für den verfügbaren Bereich abgeglichen und die Simulationsparameter angepasst. Simulation und Messung zeigen im relevanten Wirkungsgradbereich eine maximale Abweichung von 0,5 Prozentpunkten bzw. von 200 Watt hinsichtlich der Verlustleistungen. Damit kann für die untersuchte Maschine das Verhalten bei Betriebspunkten ermittelt werden, die nicht mit dem vorhandenen Prüfstand messbar waren. Eine Verschiebung der Betriebsgrenzen durch den Einsatz anderer Materialien, oder durch Änderung der Wicklung können auf diese Weise mit einer hohen Genauigkeit simuliert werden, ohne weitere Prototypen aufzubauen und zu vermessen.