Vor dem Hintergrund steigender Energie- und Rohstoffpreise stellen die Anwender elektrischer Antriebe zunehmend die Forderung nach einer wesentlichen Erhöhung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschinen. Um einerseits Masse, Bauvolumen und Material zu sparen, andererseits aber auch die Verluste in der elektrischen Maschine zu senken, müssen moderne Magnetkreiswerkstoffe und Wicklungstechnologien angewendet werden. Im Rahmen der Diplomarbeit sind verschiedene Varianten energieeffizienter Elektromaschinen zu untersuchen. Hierbei sind insbesondere folgende Ausführungsformen detailliert zu betrachten: • Permanenterregte Synchronmaschine mit Si-legiertem Blech (Referenz) • Permanenterregte Synchronmaschine mit Co-legiertem Blech • Permanenterregte Synchronmaschine mit Ni-legiertem Blech • Einsatz von SMC (Soft Magnetic Compound, Pulververbundwerkstoff) • Permanenterregte Synchronmaschine mit Zahnspulenwicklung • Sinnvolle Kombinationen der o.g. Punkte Die Untersuchungen sollen sich dabei auf Antriebsmotoren im Leistungsbereich um 1 kW bei Drehzahlen von 1400 bis 3000 min−1 erstrecken. Für jede Variante ist mit Hilfe von FEM-Berechnungen der Magnetkreis im Sinne geringster Verluste zu optimieren und der zu erwartende Wirkungsgrad im Bemessungspunkt abzuschätzen. Darüber hinaus sind Referenzmessungen an einer konventionellen permanenterregten Synchronmaschine vorzunehmen, um die erhaltenen Ergebnisse sinnvoll einordnen zu können.

Für Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen und großen Drehmomentanforderungen wie z. B. Windenergiegeneratoren, Aufzugs-, Lüfter- und Radnabenmotoren werden häufig elektrische Direktantriebe in Außenläuferbauweise eingesetzt. Im Vergleich zur Innenläuferausführung ist die Abführung der Statorverluste aufgrund der schlechteren Konvektionsbedingungen im Luftspalt und an den Wicklungsköpfen sowie des geringen Wärmedurchganges in den Lagern erschwert. Die Anbindung des Stators an eine große Konvektionsoberfläche fehlt. Im Hinblick auf die maximal zulässige Wicklungstemperatur ist eine Einschränkung der elektromagnetischen Ausnutzung notwendig und bei Luftkühlung liegen erreichbare Ausnutzungsziffern meist im Bereich C < 2 kVA·min/m^3. Eine Alternative bietet die Methode der Statorrohrinnenkühlung, wobei ca. 80 % der Statorverluste über ein im innenliegenden Bauraum des Stators integriertes Kühlsystem abgeführt werden. Im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise sind durch die intensivierte Luftkühlung Ausnutzungsziffern C > 3 kVA·min/m^3 realisierbar. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Ableitung von Auslegungskriterien für Außenläufermaschinen mit einer intensivierten Statorrohrinnenkühlung, wobei als Anwendungsbeispiel ein Kleinwindenergiegenerator, der eine geöffnete Rotornabe besitzt und durch die natürliche Windströmung gekühlt wird, dient. Aus der hochpoligen Ausführung der permanentmagneterregten Synchronmaschine ergeben sich geringere magnetische Flüsse pro Pol und der innere Bauraum kann aufgrund der geringeren Rückenhöhe zur Kühlung genutzt werden. Für die Festlegung der Abmessungen des Aktiv- und des Kühlsystemvolumens der Maschine ist eine gekoppelte Erwärmungsberechnung erforderlich. Diesbezüglich wird die Erstellung eines elektromagnetisch-strömungsmechanisch-thermisch gekoppelten Berechnungsmodells, das auf analytischen Ersatznetzwerken basiert und durch die Daten numerischer Teilmodelle gestützt wird, vorgestellt. Dabei sind die Schwerpunkte die Berechnungen des Arbeitspunktes des magnetischen Kreises, der Belastungskennlinien des Generators im Inselbetrieb, der lokalen Verlustverteilung, des Kühlluftvolumenstromes im Arbeitspunkt des Kühlsystems und der stationären Erwärmung der Maschine. Die Berechnung der Kühlsystemerwärmung erfolgt mit einem Subwärmequellennetz, wodurch der lokale konvektive Wärmeübergang und die Wärmeleitung im Kühlkörper berücksichtigt werden. Weitere Schwerpunkte der thermischen Modellierung sind u. a. die Berechnung der Wärmeübergänge im Luftspalt und in den Wicklungskopfbereichen, die Bestimmung der spezifischen Ersatzwärmeleitfähigkeiten der orthotropen Wärmeleitgebiete der Wicklung und des Elektroblechpaketes sowie die Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten. Experimentelle Untersuchungen in Form von Maschinenprüfungen an einem Prototyp des Kleinwindenergiegenerators sowie Windkanalmessungen an einem Strömungsmodell dienen der Verifikation der Berechnungen. Ausgehend von den Ergebnissen durchgeführter Parameterstudien zur Magnetkreis- und Wicklungsausführung in Kombination mit der Kühlsystemauslegung werden Schlussfolgerungen für die Projektierung der Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung zusammengefasst.:Kurzfassung Abstract Nomenklatur Verzeichnis der Formelzeichen und Indizes Abkürzungsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Motivation 1.2 Aufgaben- und Zielstellung 1.3 Einordnung in der Fachliteratur 1.4 Struktur der Dissertation 2 Elektromagnetische und thermische Modellierung 2.1 Kopplung der physikalischen Modellebenen 2.2 Elektromagnetisches Modell und Betriebsverhalten 2.2.1 Experimentelle Prototypuntersuchung 2.2.2 Analytisches elektromagnetisches Modell 2.2.3 Ersatzschaltbildparameter, Zeigerbild und Belastungskennlinie 2.2.4 Numerisches elektromagnetisches Modell 2.3 Komponenten des Verlustmodells 2.3.1 Unterteilung der Verlustanteile 2.3.2 Verluste im Leerlaufbetrieb des Generators 2.3.3 Verluste im Belastungsbetrieb des Generators 2.4 Verifikation der Berechnungsergebnisse 2.5 Elektromagnetische Ausnutzung und Erwärmungsmodell 2.5.1 Analyse der elektromagnetischen Ausnutzung von Außenläufermaschinen 2.5.2 Stand der Technik in Bezug auf die Kühlung von Außenläufermaschinen 2.5.3 Erwärmungsmodell von Außenläufermaschinen mit Statorrohrinnenkühlung 2.5.4 Schlussfolgerungen für die Steigerung der elektromagnetischen Ausnutzung 3 Mechanismen des Wärmetransportes 3.1 Wärmeleitung 3.2 Wärmeübergang durch Konvektion 3.2.1 Beschreibung des konvektiven Wärmeüberganges 3.2.2 Stoffeigenschaften und Ähnlichkeitskennzahlen 3.2.3 Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3.2.4 Turbulenzmodellierung 3.2.5 Wärmeübertragungsmodellierung 3.2.6 Wandeffekte und Berechnung der Grenzschicht 3.3 Wärmeübergang durch Strahlung 4 Wärmeübergang im Luftspalt 4.1 Analyse der Fachliteratur 4.1.1 Unterscheidung der Strömungsform 4.1.2 Untersuchung des Wärmeüberganges 4.2 Modellierung des glatten Luftspaltes 4.2.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.2.2 Ergebnisauswertung und Ableitung empirischer Beziehungen 4.3 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen oder Pollücken 4.3.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.3.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen und Pollücken 4.4.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.4.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4.3 Berechnung für ausgewählte Anwendungen 4.5 Schlussfolgerungen für die analytische Berechnung 5 Statorrohrinnenkühlung von Außenläufermaschinen 5.1 Beschreibung der Kühlsystemkonfigurationen 5.2 Strömungsmechanisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.2.1 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes im Gesamtmodell 5.2.2 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes aus aktivem und passivem Modell 5.2.3 Experimentelle Untersuchung des strömungsmechanischen Verhaltens 5.2.4 Abhängigkeiten des Kühlluftvolumenstromes 5.3 Gekoppeltes thermisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.3.1 Berechnung des Wärmeüberganges bei Rohrströmung 5.3.2 Berechnung der Kühlsystemerwärmung 5.3.3 Experimentelle Untersuchung des thermischen Verhaltens 5.3.4 Abhängigkeiten des Erwärmungsverhaltens 5.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung des Kühlsystems 6 Erwärmungsberechnung und Auslegungskriterien statorrohrgekühlter Außenläufermaschinen 6.1 Analytisches thermisches Modell 6.1.1 Wärmeübergänge an den Wicklungsköpfen und der Innenseite der Lagerschilde 6.1.2 Wärmeübergänge am Rotorjoch und der Außenseite der Lagerschilde 6.1.3 Orthotrope Wärmeleitung in der Wicklung 6.1.4 Orthotrope Wärmeleitung im Blechpaket 6.1.5 Wärmedurchgang in den Lagern 6.1.6 Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten 6.2 Gekoppelte Erwärmungsberechnung 6.2.1 Analytische Berechnung der Temperaturverteilung und der Wärmeströme 6.2.2 Numerische Berechnung der stationären Enderwärmung des Stators 6.3 Elektromagnetische und kühltechnische Optimierung des KWEGs 6.3.1 Analytische Variantenrechnung zur elektromagnetischen Optimierung 6.3.2 Analytische Variantenrechnung zur kühltechnischen Optimierung 6.3.3 Numerische Nachrechnung der Neuauslegung des KWEGs 6.3.4 Anwendung des KWEGs in einer Kleinwindenergieanlage im Inselbetrieb 6.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung einer Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung 7 Fazit und Ausblick 7.1 Zusammenfassung der wissenschaftlichen Ergebnisse 7.2 Ausblick auf weiterführende Entwicklungsarbeiten Anhang A Konvergenz- und Berechnungsgitteranalyse der numerischen Berechnungen am Beispiel des Luftspaltwärmeüberganges B Simulationsumfang des Luftspaltkonvektionswiderstandes von Außenläufern mit Nutschlitzen oder Pollücken C Experimentelle Prototypuntersuchung des KWEGs im Inselbetrieb bei Variation der Belastungsart D Auswahlkriterien zur Auslegung der Zweischicht-Zahnspulenwicklung E Schnittzeichnung des Kleinwindenergiegenerators Literaturverzeichnis / Electrical direct drives with outer rotor construction are often used for applications with low rotational speed and high torque requirements such as wind energy generators, elevators, fans and wheel hub motors. Compared to the internal rotor construction, it is more difficult to dissipate the stator losses due to the unfavorable convection conditions in the air gap and at the end windings and the low heat transfer in the bearings. The stator lacks contact to a large convection surface. The maximum permissible winding temperature necessitates reducing electromagnetic utilization, with air cooling the achievable utilization numbers are usually in the range C < 2 kVA∙min/m^3. An alternative method is stator tube inner cooling, whereby approx. 80 % of the stator losses are dissipated via a cooling system integrated in the internal volume of the stator. Compared to the conventional machine design, utilization numbers C > 3 kVA∙min/m^3 are feasible for the intensified air-cooling. This thesis aims to derive design criteria for outer rotor machines with intensified stator tube inner cooling. A small wind energy generator with an open rotor hub, cooled by the natural wind flow, serves as an application example. The high-pole design of the permanent magnet synchronous machine results in lower magnetic fluxes per pole, and the internal volume can be utilized for cooling due to the thinner back-iron. A coupled heating calculation is required to determine the dimensions of the active volume and the cooling system volume. The realization of an electromagnetic-fluid-mechanical-thermal coupled calculation model is presented. The model is based on analytical equivalent networks and is supported by the data of numerical sub-models. The key aspects are the calculations of the operating point of the magnetic circuit, the load characteristics of the generator in isolated operation mode, the local loss distribution, the cooling air volume flow in the operating point of the cooling system and the stationary heating of the machine. The cooling system heating is calculated with a sub-heat source network, whereby the local convective heat transfer and the heat conduction in the heat sink are considered. Additional key aspects of thermal modelling include calculating heat transfer in the air gap and in the end winding regions, determining the specific equivalent thermal conductivities of the orthotropic heat conduction areas of the winding and the laminated core and considering insulating layers, joint gaps and glue gaps. Experimental investigations in the form of machine testing on a prototype of the small wind turbine generator and wind tunnel measurements on a flow model verify the calculations. Based on the results of parameter studies on the magnetic circuit and winding design in combination with the cooling system configuration, conclusions for the design of the outer rotor machine with intensified stator tube inner cooling are summarized.:Kurzfassung Abstract Nomenklatur Verzeichnis der Formelzeichen und Indizes Abkürzungsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Motivation 1.2 Aufgaben- und Zielstellung 1.3 Einordnung in der Fachliteratur 1.4 Struktur der Dissertation 2 Elektromagnetische und thermische Modellierung 2.1 Kopplung der physikalischen Modellebenen 2.2 Elektromagnetisches Modell und Betriebsverhalten 2.2.1 Experimentelle Prototypuntersuchung 2.2.2 Analytisches elektromagnetisches Modell 2.2.3 Ersatzschaltbildparameter, Zeigerbild und Belastungskennlinie 2.2.4 Numerisches elektromagnetisches Modell 2.3 Komponenten des Verlustmodells 2.3.1 Unterteilung der Verlustanteile 2.3.2 Verluste im Leerlaufbetrieb des Generators 2.3.3 Verluste im Belastungsbetrieb des Generators 2.4 Verifikation der Berechnungsergebnisse 2.5 Elektromagnetische Ausnutzung und Erwärmungsmodell 2.5.1 Analyse der elektromagnetischen Ausnutzung von Außenläufermaschinen 2.5.2 Stand der Technik in Bezug auf die Kühlung von Außenläufermaschinen 2.5.3 Erwärmungsmodell von Außenläufermaschinen mit Statorrohrinnenkühlung 2.5.4 Schlussfolgerungen für die Steigerung der elektromagnetischen Ausnutzung 3 Mechanismen des Wärmetransportes 3.1 Wärmeleitung 3.2 Wärmeübergang durch Konvektion 3.2.1 Beschreibung des konvektiven Wärmeüberganges 3.2.2 Stoffeigenschaften und Ähnlichkeitskennzahlen 3.2.3 Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3.2.4 Turbulenzmodellierung 3.2.5 Wärmeübertragungsmodellierung 3.2.6 Wandeffekte und Berechnung der Grenzschicht 3.3 Wärmeübergang durch Strahlung 4 Wärmeübergang im Luftspalt 4.1 Analyse der Fachliteratur 4.1.1 Unterscheidung der Strömungsform 4.1.2 Untersuchung des Wärmeüberganges 4.2 Modellierung des glatten Luftspaltes 4.2.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.2.2 Ergebnisauswertung und Ableitung empirischer Beziehungen 4.3 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen oder Pollücken 4.3.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.3.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen und Pollücken 4.4.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.4.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4.3 Berechnung für ausgewählte Anwendungen 4.5 Schlussfolgerungen für die analytische Berechnung 5 Statorrohrinnenkühlung von Außenläufermaschinen 5.1 Beschreibung der Kühlsystemkonfigurationen 5.2 Strömungsmechanisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.2.1 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes im Gesamtmodell 5.2.2 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes aus aktivem und passivem Modell 5.2.3 Experimentelle Untersuchung des strömungsmechanischen Verhaltens 5.2.4 Abhängigkeiten des Kühlluftvolumenstromes 5.3 Gekoppeltes thermisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.3.1 Berechnung des Wärmeüberganges bei Rohrströmung 5.3.2 Berechnung der Kühlsystemerwärmung 5.3.3 Experimentelle Untersuchung des thermischen Verhaltens 5.3.4 Abhängigkeiten des Erwärmungsverhaltens 5.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung des Kühlsystems 6 Erwärmungsberechnung und Auslegungskriterien statorrohrgekühlter Außenläufermaschinen 6.1 Analytisches thermisches Modell 6.1.1 Wärmeübergänge an den Wicklungsköpfen und der Innenseite der Lagerschilde 6.1.2 Wärmeübergänge am Rotorjoch und der Außenseite der Lagerschilde 6.1.3 Orthotrope Wärmeleitung in der Wicklung 6.1.4 Orthotrope Wärmeleitung im Blechpaket 6.1.5 Wärmedurchgang in den Lagern 6.1.6 Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten 6.2 Gekoppelte Erwärmungsberechnung 6.2.1 Analytische Berechnung der Temperaturverteilung und der Wärmeströme 6.2.2 Numerische Berechnung der stationären Enderwärmung des Stators 6.3 Elektromagnetische und kühltechnische Optimierung des KWEGs 6.3.1 Analytische Variantenrechnung zur elektromagnetischen Optimierung 6.3.2 Analytische Variantenrechnung zur kühltechnischen Optimierung 6.3.3 Numerische Nachrechnung der Neuauslegung des KWEGs 6.3.4 Anwendung des KWEGs in einer Kleinwindenergieanlage im Inselbetrieb 6.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung einer Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung 7 Fazit und Ausblick 7.1 Zusammenfassung der wissenschaftlichen Ergebnisse 7.2 Ausblick auf weiterführende Entwicklungsarbeiten Anhang A Konvergenz- und Berechnungsgitteranalyse der numerischen Berechnungen am Beispiel des Luftspaltwärmeüberganges B Simulationsumfang des Luftspaltkonvektionswiderstandes von Außenläufern mit Nutschlitzen oder Pollücken C Experimentelle Prototypuntersuchung des KWEGs im Inselbetrieb bei Variation der Belastungsart D Auswahlkriterien zur Auslegung der Zweischicht-Zahnspulenwicklung E Schnittzeichnung des Kleinwindenergiegenerators Literaturverzeichnis

Die Magnetisierungskurven und Ummagnetisierungsverluste weichmagnetischer Werkstoffe zeigen sich stark abhängig von den zur Bearbeitung eingesetzten Trennverfahren. Nach dem theoretischen Ergründen der Ursachen und dem Entwurf einer genauen und praxistauglichen Prüfmethodik erfolgt die messtechnische Charakterisierung dieser Abhängigkeiten an ausgewählten Werkstoffen, Trennverfahren, Probengeometrien und Magnetisierungsbedingungen. Dies ermöglicht erste Rückschlüsse auf die Sensitivität magnetischer Eigenschaften gegenüber Bearbeitungseffekten. Anhand der Ergebnisse können schließlich Modelle zur Beschreibung der Materialdegeneration an Bearbeitungskanten identifiziert werden. Weiterführend werden drei Methoden zur Nachrechnung von Magnetkreisen eingeführt, um im Entwurfsprozess elektrischer Maschinen den Einfluss von degenerierten Eigenschaften abzuschätzen. Diese werden abschließend an praktisch relevanten Anordnungen mit konventionellen Berechnungen und Messwerten verglichen. / Magnetization curves and core losses of soft magnetic materials are strongly dependent on the applied cutting processes. After identifying the theoretical causes and designing an accurate and convenient measuring technique those dependencies are determined from selected materials, cutting processes, sample geometries and magnetization conditions. Thus, first conclusions about the sensitivity of magnetic properties to cutting effects are possible. The results eventually enable the identification of models specifying the material degeneration at cutting edges. Furthermore, three methods are introduced in order to describe magnetic circuits, as common in electrical machines, but under the influence of degenerated properties. Finally, those methods are compared to conventional calculations and measurements at practically relevant cores.

Elektrische Maschinen werden heutzutage auf mannigfaltigen Gebieten eingesetzt. Sie verrichten ihre Aufgaben in leistungsstarken Industrieantrieben für Erzmühlen oder Stahlwalzen, als Synchrongeneratoren zur Elektroenergieerzeugung, in Fertigungsanlagen wie Backstraßen oder Fließbänder oder auch im Verkehr, in Zügen oder verstärkt nun auch in Automobilen. Sie erleichtern uns aber auch den Alltag an Stellen, wo sie oft gar nicht wahrgenommen werden. Sie ermöglichen nützliche Helferlein im Auto mithilfe von Servomotoren – Scheibenwischer, Fensterheber oder Seitenspiegelverstellung sind nur ausgewählte Beispiele. Aber auch Fensterrollläden, Klimaanlagen oder Fahrstühle benötigen elektrische Antriebe. Darüber hinaus verstecken sich sie sich als Klein- und Kleinstmaschinen in medizinischen Geräten wie dem Zahnarztbohrer oder in Pflegeprodukten des täglichen Bedarfs von der Haarschneidemaschine, über den Nasenhaartrimmer und Föhn bis hin zur elektrischen Zahnbürste. Da Elektromotoren also in immer mehr Geräten stecken, müssen auch immer größere Stückzahlen gefertigt werden, die am besten nichts kosten. Es besteht somit die große Herausforderung all die Bedürfnisse ressourcenschonend und kostengünstig zu bedienen. Aus diesem Gedanken heraus entstand am Lehrstuhl die Idee, Wicklungen elektrischer Kleinmaschinen zu drucken. Dies geschieht mithilfe der Siebdrucktechnik, wie es schon heute bei RFID-Chips die Regel ist. Es handelt sich also um ein erprobtes Verfahren, das eine günstige Fertigung großer Stückzahlen erlaubt. Erste Erfahrungen wurden bereits gesammelt, hier sei auf [10], [11] und [12] verwiesen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit sollen diese Grundlagen nun ausgebaut, gefestigt, sowie erweitert werden. Um einen Eindruck und Überblick zu gewinnen, wird im Folgenden eine Reihe elektrischer Kleinmaschinen entworfen. Hierbei sollen Probleme ausfindig gemacht, Lösungen eruiert und Abweichungen zum konventionellen Entwurf aufgezeigt werden. Im Rahmen dessen werden Berechnungsvorschriften für siebgedruckte Wicklungen abgeleitet und diese schließlich zur Berechnung einer Maschinenreihe mit verschiedenen Außendurchmessern und Längen genutzt. Am Ende der Arbeit sollen ausgewählte Motoren aus der berechneten Reihe stehen, an denen Messungen stattfinden um die verwendeten Algorithmen zu verifizieren.

The power and force density of electric motors becomes higher and higher and it is very important to design most optimal machines. Conventional methods don‘t reach this aim in any case. A new approach is presented combining Evolutionary Strategies and Finite Element Analysis to obtain reliable results. / Die Anforderungen an elektrische Antriebe sind sehr hoch. Nur optimal konstruierte Maschinen können ihnen genügen. Es wird ein Instrumentarium vorgestellt, welches eine rechnergestützte automatische Optimierung des magnetischen Kreises der elektrischen Maschine gestattet. Als Modellierungsgrundlage wird die Finite-Elemente-Methode verwendet. Die Optimierung erfolgt mit der Evolutionsstrategie. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes der FEM wird insbesondere darauf eingegangen, ein Modell zu schaffen, dass möglichst viel Information bei hoher Genauigkeit und geringstem numerischen Aufwand liefert. Entsprechende Möglichkeiten der Simulation magnetischer und thermischer Felder mit der FEM werden besprochen. Außerdem wird ein Verfahren vorgestellt, welches die Ermittlung der magnetischen Verluste ohne transienter Feldberechnungen erlaubt. Die Modellierung wird speziell am Beispiel eines hochpoligen permanenterregten Synchronmotors in Außenläuferbauweise erläutert. Die Ergebnisse der Simulation werden mit Messungen verglichen. Weiterhin werden die Ergebnisse verschiedener konkreter Optimierungsläufe vorgestellt.

Elektrische Maschinen werden heutzutage auf mannigfaltigen Gebieten eingesetzt. Sie verrichten ihre Aufgaben in leistungsstarken Industrieantrieben für Erzmühlen oder Stahlwalzen, als Synchrongeneratoren zur Elektroenergieerzeugung, in Fertigungsanlagen wie Backstraßen oder Fließbänder oder auch im Verkehr, in Zügen oder verstärkt nun auch in Automobilen. Sie erleichtern uns aber auch den Alltag an Stellen, wo sie oft gar nicht wahrgenommen werden. Sie ermöglichen nützliche Helferlein im Auto mithilfe von Servomotoren – Scheibenwischer, Fensterheber oder Seitenspiegelverstellung sind nur ausgewählte Beispiele. Aber auch Fensterrollläden, Klimaanlagen oder Fahrstühle benötigen elektrische Antriebe. Darüber hinaus verstecken sich sie sich als Klein- und Kleinstmaschinen in medizinischen Geräten wie dem Zahnarztbohrer oder in Pflegeprodukten des täglichen Bedarfs von der Haarschneidemaschine, über den Nasenhaartrimmer und Föhn bis hin zur elektrischen Zahnbürste. Da Elektromotoren also in immer mehr Geräten stecken, müssen auch immer größere Stückzahlen gefertigt werden, die am besten nichts kosten. Es besteht somit die große Herausforderung all die Bedürfnisse ressourcenschonend und kostengünstig zu bedienen. Aus diesem Gedanken heraus entstand am Lehrstuhl die Idee, Wicklungen elektrischer Kleinmaschinen zu drucken. Dies geschieht mithilfe der Siebdrucktechnik, wie es schon heute bei RFID-Chips die Regel ist. Es handelt sich also um ein erprobtes Verfahren, das eine günstige Fertigung großer Stückzahlen erlaubt. Erste Erfahrungen wurden bereits gesammelt, hier sei auf [10], [11] und [12] verwiesen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit sollen diese Grundlagen nun ausgebaut, gefestigt, sowie erweitert werden. Um einen Eindruck und Überblick zu gewinnen, wird im Folgenden eine Reihe elektrischer Kleinmaschinen entworfen. Hierbei sollen Probleme ausfindig gemacht, Lösungen eruiert und Abweichungen zum konventionellen Entwurf aufgezeigt werden. Im Rahmen dessen werden Berechnungsvorschriften für siebgedruckte Wicklungen abgeleitet und diese schließlich zur Berechnung einer Maschinenreihe mit verschiedenen Außendurchmessern und Längen genutzt. Am Ende der Arbeit sollen ausgewählte Motoren aus der berechneten Reihe stehen, an denen Messungen stattfinden um die verwendeten Algorithmen zu verifizieren.:1 Einführung 2 Der prinzipielle Aufbau der zu entwerfenden Kleinmaschinen 2.1 Der Aufbau konventioneller Kleinmaschinen 2.2 Der mechanische Aufbau 2.3 Gedruckte Wicklungen 3 Theoretischer Entwurfs- und Rechengang 3.1 Maschinenentwurf 3.1.1 Magnetkreisentwurf 3.1.2 Abmessungen 3.1.3 Entwurf der Wicklung 3.2 Nachrechnung 3.2.1 Ohmscher Widerstand, Nennstrom und Stromdichte 3.2.2 Magnetische Spannungsabfälle 3.2.3 Induktivität und Reaktanz 3.2.4 Kraft, Drehmoment und mechanische Leistung 3.2.5 Verluste, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor 3.2.6 Ausnutzungsfaktor, Strombelag und Charakteristisches Produkt 3.3 Bestimmung des Drehmoments 4 Ein zahlenmäßiger Entwurfsgang anhand einer Beispielmaschine 4.1 Vorgaben 4.2 Maschinenentwurf 4.2.1 Magnetkreisentwurf 4.2.2 Abmessungen 4.2.3 Entwurf der Wicklung 4.3 Nachrechnung 4.3.1 Ohmscher Widerstand, Nennstrom und Stromdichte 4.3.2 Magnetische Spannungsabfälle 4.3.3 Induktivität und Reaktanz 4.3.4 Kraft, Drehmoment und mechanische Leistung 4.3.5 Verluste, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor 4.3.6 Ausnutzungsfaktor, Strombelag und Charakteristisches Produkt 5 Die Maschinenreihe im Detail 5.1 Die Maschinenreihe im Vergleich 5.2 Außendurchmesser 40 mm 5.3 Ein Vergleich mit am Markt erhältlichen Maschinen 6 Fertigung und Maschinenpraxis ausgewählter Modelle 6.1 Vorbereitungen 6.2 Die gedruckten Wicklungen 6.3 Ein praktischer Ausblick 6.4 Potenzial und Ausblick – Steigerung der Effizienz 7 Zusammenfassung A Das FEM-Modell zur Ermittlung der Läuferinduktion B Die Maschinenreihe C Praktische Ausführungen zum Maschinenentwurf

Der lagerlose reluktante Rotations-Linear-Motor (BRLRM) ermöglicht die aktive Kontrolle eines schwebenden ferromagnetischen Rotors in allen 6 Bewegungs-Freiheitsgraden. Durch eine zweidimensionale Rotorverzahnung sind axiale Verschiebungen und Verdrehungen über beliebig lange Verfahrwege möglich. Es lassen sich zwei Verzahnungsarten unterscheiden, deren Krafterzeugung theoretisch modelliert und analysiert wird. Für eine Grundbauform aus zwei Statoren, deren gegenüberliegende Pole gleichartigen Versatz zur Rotorverzahnung aufweisen, erfolgt für beide Verzahnungsarten der Nachweis der Steuerbarkeit. Für den jeweiligen Fall ist eine Mindestanzahl an Polpaaren nötig. Die Versetzungen der Verzahnungen müssen Steuerbarkeitsbedingungen erfüllen. Die optimalen Versetzungsanordnungen, welche diese erfüllen, werden mit Hilfe eines speziell entwickelten Algorithmus ermittelt. Für ausgewählte Motorbauformen erfolgt eine Analyse der theoretisch erreichbaren Gesamtkräfte des Motors. Der Betrieb des BRLRM erfordert ein 6-Achs-Lagemesssystem, wofür eine differenzielle kapazitive Sensoranordnung und Auswerteelektronik entwickelt werden. Ein messtechnischer Nachweis zeigt, dass damit eine wirksame Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen möglich ist. Für die Lageregelung wird eine einfache Struktur vorgestellt sowie ein effizienter Algorithmus zur Ermittlung der Sollströme entwickelt. Zu einer ausgewählten Motorbauform wird ein Versuchsstand entwickelt und aufgebaut. Durch analytische Betrachtungen, numerische Simulationen und Messungen erfolgt der Nachweis der Stabilität des Gesamtsystems. Mittels Simulationen sowie mit Messungen am Versuchsaufbau werden das dynamische Verhalten des BRLRM charakterisiert sowie einige theoretische Aspekte verifiziert. Ein Schwerpunkt ist die Betrachtung von Verkopplungseffekten aufgrund von Nichtlinearitäten und parasitären Effekten des Lagemesssystems. / The bearingless rotary linear reluctance motor (BRLRM) enables active control of a levitating ferromagnetic rotor in all 6 degrees of freedom of movement. Two-dimensional rotor toothing allows axial translation and rotation over any length of travel. Two types of toothing can be distinguished, and their force generation is theoretically modelled and analysed. For a basic design consisting of two stators, where the opposite poles have the same offset with respect to the rotor toothing, the controllability is verified for both types of toothing. A minimum number of pole pairs is required for each case. The offsets of the toothings must fulfil controllability conditions. The optimal offset arrangements that fulfil these conditions are determined using a specially developed algorithm. For several motor designs, an analysis of the theoretically achievable total forces of the motor is carried out. The operation of the BRLRM requires a 6-axis position measurement system, for which a differential capacitive sensor configuration and evaluation electronics are developed. A metrological proof shows that an effective suppression of electromagnetic disturbances is achieved. A simplified structure is presented for the position control and an efficient algorithm is developed for determining the setpoint currents. An experimental setup is constructed and built for a selected motor design. Analytical considerations, numerical simulations as well as measurements are used to prove the stability of the overall system. The dynamic behaviour of the BRLRM is characterised and some theoretical aspects are verified using simulations and measurements on the experimental setup. One focus is on the consideration of coupling effects due to non-linearities and parasitic effects of the position measurement system.