In dieser Arbeit wird die Möglichkeit untersucht, durch die Messung magnetischer Streuflüsse und unter Berücksichtigung der durch die Steuerströme hervorgerufenen Durchflutung, auf die Position des Rotors im Magnetlager zu schließen. Die Streuflüsse werden in der Regel vernachlässigt, stehen aber im unmittelbaren Zusammenhang zur Luftspaltlänge, wie theoretische Betrachtungen zeigen. Anhand von analytischen und numerischen Modellen, welche durch Messungen verifiziert werden, ist eine Linearisierung und Kompensation des Einflusses der Durchflutung möglich. Auf dieser Basis wird ein Messsystem entwickelt, mit dem die streuflussbasierte Positionsregelung eines Testlagers realisiert wird. Hierfür kommen Hall-Sensoren zum Einsatz, die auf Leiterplatten sitzen, welche anstelle der konventionellen Nutverschlüsse in das Magnetlager eingebracht werden. Aufgrund der direkten Nähe der Sensoren zu den Lagerspulen und der gepulsten Steuerströme weisen die Messsignale jedoch ein erhebliches Rauschen auf. Um dem entgegenzuwirken, kommt ein Kalman-Filter zum Einsatz, mit dem eine deutliche Verbesserung der Signalqualität erreicht werden kann.:Verzeichnis der Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen vii 1 Einleitung 1 1.1 Exkurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Systematik magnetischer Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Sensoren für Magnetlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Sensorlose Magnetlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5 Motivation und Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.1 Motivation und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.2 Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Theoretische Betrachtungen zu magnetischen Streuflüssen 17 2.1 Magnetische Streuflüsse in Magnetlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.1 Heteropolarlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2 Homopolarlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.3 Dreischenkliges Magnetlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Verallgemeinertes Reluktanzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Zusammenhang zwischen Luftspaltlänge und Streuflussdichte . . . . . . . . 28 2.3.1 Intrapolarer Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.2 Interpolarer Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4 Betrachtung der magnetischen Streuflüsse mit Hilfe numerischer Rechnungen 33 2.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3 Magnetische Streuflüsse im realen Magnetlager 39 3.1 Auswahl eines geeigneten Lagertyps und möglicher Messpositionen . . . . . 39 3.1.1 Streuflüsse bei Rotorverschiebung entlang der x- und y-Achse . . . . 41 3.1.2 Streuflüsse bei Rotorverschiebung entlang der a- und b-Achse . . . . 43 3.1.3 Änderung der Streuflüsse bei Querverschiebung des Rotors . . . . . 45 3.2 Nutzbarkeit der intra- und interpolaren Streuflüsse als Lagemesssystem . . 48 3.3 Vergleich gemessener und berechneter Streuflusswerte . . . . . . . . . . . . 52 3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4 Realisierung des Messsystems 57 4.1 Erstellung von Kennfeldern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 v Inhaltsverzeichnis 4.3 Messsystem zur Messung der magnetischen Streuflussdichte . . . . . . . . . 60 4.3.1 Auswahl geeigneter Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.2 Sensordesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3.3 Kalibrierung der Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4 Statische und dynamische Eigenschaften des streuflussbasierten Messsystems 69 4.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 Betrachtungen zur Verbesserung der Signalqualität 75 5.1 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1.1 Übertragungsverhalten der Messsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.1.2 Elektromagnetisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1.3 Mechanisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.1.4 Modellierung variabler Induktivitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.1.5 Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.2 Kalman-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6 Zusammenfassung und Ausblick 115 6.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 A Mathematische Überlegungen zu Streuflussfunktionen 121 A.1 Grenzwerte für den intrapolaren Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 A.2 Anstieg intrapolare Streuflussfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 A.3 Maximum des interpolaren Streuflusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 B Tabellen 127 B.1 Gemessene Streuflüsse an verschiedenen Rotorpositionen und unterschiedlichen resultierenden Steuerströmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 B.2 Ströme und Positionen nach Streuflussmesswerten sortiert . . . . . . . . . . 128 C Schaltpläne, technische Zeichnungen und Blockschaltbilder 129 C.1 Schaltplan Streuflusssensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 C.2 Kalibrierschaltung des Messkonverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 C.3 Beispielgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 C.4 Magnetlagerrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 C.5 Blockschaltbild des Modells eines Stromrichters . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Literaturverzeichnis 133 Thesen 141 / In this work, the possibility of inferring the position of the rotor in magnetic bearings by measuring magnetic leakage fluxes is investigated. These are usually neglected, but are directly related to the air gap length, as theoretical considerations show. In addition, the magnetic flux caused by the control currents must be taken into account. By means of analytical and numerical models, which are verified by measurements, a linearization and compensation of the influence of the magnetic flux is possible. Based on this, a measurement system is developed to realize a flux leakage-based position control of a test bearing. For this purpose, Hall-sensors are used, which are located on printed circuit boards that are inserted into the magnetic bearing instead of the conventional slot locks. However, due to the direct proximity of the sensors to the bearing coils and the pulsed control currents, the measurement signals exhibit considerable noise. To counteract this, a Kalman-filter is used to achieve a significant improvement in signal quality.:Verzeichnis der Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen vii 1 Einleitung 1 1.1 Exkurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Systematik magnetischer Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Sensoren für Magnetlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Sensorlose Magnetlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5 Motivation und Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.1 Motivation und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.2 Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Theoretische Betrachtungen zu magnetischen Streuflüssen 17 2.1 Magnetische Streuflüsse in Magnetlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.1 Heteropolarlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2 Homopolarlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.3 Dreischenkliges Magnetlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Verallgemeinertes Reluktanzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Zusammenhang zwischen Luftspaltlänge und Streuflussdichte . . . . . . . . 28 2.3.1 Intrapolarer Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.2 Interpolarer Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4 Betrachtung der magnetischen Streuflüsse mit Hilfe numerischer Rechnungen 33 2.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3 Magnetische Streuflüsse im realen Magnetlager 39 3.1 Auswahl eines geeigneten Lagertyps und möglicher Messpositionen . . . . . 39 3.1.1 Streuflüsse bei Rotorverschiebung entlang der x- und y-Achse . . . . 41 3.1.2 Streuflüsse bei Rotorverschiebung entlang der a- und b-Achse . . . . 43 3.1.3 Änderung der Streuflüsse bei Querverschiebung des Rotors . . . . . 45 3.2 Nutzbarkeit der intra- und interpolaren Streuflüsse als Lagemesssystem . . 48 3.3 Vergleich gemessener und berechneter Streuflusswerte . . . . . . . . . . . . 52 3.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4 Realisierung des Messsystems 57 4.1 Erstellung von Kennfeldern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 v Inhaltsverzeichnis 4.3 Messsystem zur Messung der magnetischen Streuflussdichte . . . . . . . . . 60 4.3.1 Auswahl geeigneter Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.2 Sensordesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3.3 Kalibrierung der Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4 Statische und dynamische Eigenschaften des streuflussbasierten Messsystems 69 4.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5 Betrachtungen zur Verbesserung der Signalqualität 75 5.1 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1.1 Übertragungsverhalten der Messsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.1.2 Elektromagnetisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1.3 Mechanisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.1.4 Modellierung variabler Induktivitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.1.5 Stromrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.2 Kalman-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6 Zusammenfassung und Ausblick 115 6.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 A Mathematische Überlegungen zu Streuflussfunktionen 121 A.1 Grenzwerte für den intrapolaren Streufluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 A.2 Anstieg intrapolare Streuflussfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 A.3 Maximum des interpolaren Streuflusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 B Tabellen 127 B.1 Gemessene Streuflüsse an verschiedenen Rotorpositionen und unterschiedlichen resultierenden Steuerströmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 B.2 Ströme und Positionen nach Streuflussmesswerten sortiert . . . . . . . . . . 128 C Schaltpläne, technische Zeichnungen und Blockschaltbilder 129 C.1 Schaltplan Streuflusssensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 C.2 Kalibrierschaltung des Messkonverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 C.3 Beispielgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 C.4 Magnetlagerrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 C.5 Blockschaltbild des Modells eines Stromrichters . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Literaturverzeichnis 133 Thesen 141

Cette thèse est consacré à l’évaluation et l’amélioration de la performance de la machine synchrone à réluctance variable pour des applications à vitesse variable en général et pour les applications automobiles en particulier. Les deux axes de développement sont la conception de la machine et l’injection des harmoniques de courants de phase. Le rotor est un élément important dans la conception de la machine, et un intérêt particulier est dédié à la conception et l’évaluation du rotor pour améliorer la performance de la machine. Une méthode analytique est proposée dans la thèse pour concevoir le rotor. Plusieurs éléments tels que les ponts qui maintiennent le rotor mécaniquement résistant, ainsi que le rapport d’isolation d’axe q (rapport air-acier) sont étudiés. Une étude de conception assistée par ordinateur basé sur un problème d’optimisation paramétrique est présentée aussi. Les trois familles des algorithmes d’optimisation sont évaluées pour la procédure d’optimisation: un algorithme à base de gradient (algorithme de Newton Quasi), un algorithme non-évolutionnaire sur la base de non-gradient (Nelder Mead Simplex) et un algorithme évolutif sur la base non-gradient (algorithme génétique). Les designs de machines basées sur la procédure analytique et la procédure d’optimisation sont testés sur un banc d’essai. Le deuxième axe d’études de la thèse est l’injection d’harmoniques dans les courants de phase de la machine à réluctance variable synchrone. L’interaction des harmoniques de courant avec les harmoniques spatiales des inductances est étudiée et formalisée pour une machine à m-phases. Ensuite, le concept d’injection d’harmoniques est évalué dans le cas particulier d’une machine à deux phases. Cette étude montre l’avantage de l’injection d’harmoniques dans la réduction de l’ondulation de couple de la machine. Un design d’une machine est finalement développé pour une application automobile sur la base de l’optimisation paramétrique du stator et du rotor. Cette conception est évaluée pour les spécifications imposées électromagnétiques par une application de traction à puissance moyenne / This thesis is dedicated to the evaluation and the improvement of the synchronous reluctance machine’s performance for variable speed drive applications in general and for automotive applications in particular. The two axes of development are machine design and phase current harmonics injection. The rotor is an important element in the machine design and particular emphasis is placed to the design and evaluation of the rotor for enhancing the machine performance. An analytical procedure is proposed for the rotor design. The rotor elements like the ribs and the bridges that maintain the rotor mechanically strong as well as the q-axis insulation ratio (air-to-steel ratio) are studied. A computer-aided design study based on a parametric optimization problem is presented as well. The main three families of the optimization algorithms are evaluated for the optimization procedure: a gradient-based algorithm (Quasi Newton Algorithm), a non-gradient based non-evolutionary algorithm (Nelder Mead Simplex) and a non-gradient based evolutionary algorithm (Genetic Algorithm). The machine designs based on the analytical procedure and the optimization procedure are both manufactured and tested on a bench. The second axis of study of the thesis is the injection of harmonics in the phase currents of the synchronous reluctance machine. The interaction of current harmonics with the spatial inductance harmonics is studied and formalized for an m-phase machine. Then, the harmonics injection concept is evaluated in the particular case of a 2-phase machine. This study shows the benefi t of harmonics injection in the reduction of the machine torque ripple. A synchronous reluctance machine design is fi nally developed for an automotive application based on parametric optimization of the stator and rotor. This design is evaluated for the electromagnetic specifi cations imposed by a mid-power electric vehicle traction application