Umfassender und domänenübergreifender Ansatz zur signifikanten Leistungsdichtesteigerung elektrischer Maschinen

Von:

Sebastian Mönninghoff

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Zahlreiche Anwendungen profitieren vom Einsatz leistungsdichter, elektrischer Maschinen. Dies trifft insbesondere auf elektrische Propulsions- und Traktionssysteme zu, für welche eine elektrische Maschine mit hoher Leistungsdichte eine notwendige Randbedingung zur technischen Umsetzbarkeit darstellt. Zu Beginn der Entwurfsphase sind geometrische Größen der Maschine und insbesondere die der elektromagnetisch inaktiven Massen unbekannt. Eine quantitative Bewertung der erzielbaren Leistungsdichte kann daher erst nach Abschluss des Konstruktionsprozesses erfolgen. Der Einsatz indirekter Antriebe zur Steigerung der Leistungsdichte bringt mit dem Getriebe eine weitere Komponente in die Betrachtung der Leistungsdichte ein, deren Masse zunächst unbekannt ist. Da der zeitliche Aufwand bis zum Erreichen der Konstruktionsphase signifikant ist, müssen richtungsweisende Entwurfsentscheidungen zu einem Zeitpunkt im Entwurfsprozess getroffen werden, zu dem noch keine quantitative Bewertung unterschiedlicher Maschinenentwürfe möglich ist. In der Auslegungspraxis werden häufig qualitative Bewertungstabellen mit hohem Abstraktionsgrad genutzt, um vorteilhafte Antriebsstrangtopologien zu identifizieren und technische Merkmale und Zielgrößen festzulegen. Die gezielte, leistungsdichteoptimale Auslegung eines elektrischen Antriebs erfordert jedoch bereits zu Beginn des Auslegungsprozesses eine Abschätzung der Massen aller Antriebskomponenten. Auf diese Weise können die leistungsdichtesten Maschinenentwürfe identifiziert und gezielt verfolgt werden. Wünschenswert ist daher eine Methode zur frühzeitigen Schätzung der Leistungsdichte elektrischer Maschinen, welche technisch wegweisende Entwurfsentscheidungen auf der Grundlage von quantitativen Vergleichen ermöglicht. Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Herleitung geeigneter Methoden zur frühzeitigen Abschätzung der Leistungsdichte eines elektrischen Antriebs und die Anwendung dieser Methoden zur Identifikation leistungsdichteoptimaler Antriebskonfigurationen, um das Potential zur Erhöhung der Leistungsdichte bestmöglich auszuschöpfen. Im Stand der Technik wird hauptsächlich eine physikalische Domäne betrachtet. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Verfahren soll Entwurfsbeschränkungen aller beteiligten physikalischen Domänen berücksichtigen und das Ziel der Leistungsdichtesteigerung rigoros verfolgen. Ein Anwendungsfall zeigt den Einsatz der entwickelten Methode im Maschinenentwurfsprozess. Im Rahmen des Anwendungsbeispiels werden unterschiedliche Maschinen entworfen und deren Leistungsdichten im Vorhinein abgeschätzt. Der Aufbau und die Vermessung beider Maschinen untermauern die entwickelte Methode zur Leistungsdichteschätzung mit empirischen Daten.