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.

Les travaux de cette thèse portent sur une nouvelle structure de machine à double excitation (MSDE) pour l'application des véhicules hybrides et électriques. Ce type de machine, ayant deux sources d'excitation, bénéficie un degré de liberté supplémentaire et un contrôle facile sur le flux. Grâce à ce degré de liberté, la machine peut être dimensionnée de manière que son meilleur rendement coïncide avec la zone de fonctionnement la plus sollicitée de la machine. Cette nouvelle structure a fait l'objet principal de ce mémoire. Le fonctionnement de la MSDE est présenté dans les deux premiers chapitres. La machine est dimensionnée suivant un cahier des charges pour véhicule hybride. La validation expérimentale a confirmé le bon fonctionnement de la structure et montré son intérêt. Une autre problématique dans le dimensionnement de la machine est l'aspect thermique car les machines sont devenues de plus en plus compactes et puissantes. Une estimation correcte des pertes est indispensable pour évaluer correctement les performances de la machine. C'est la raison pour laquelle on a décidé de consacrer une partie de cette thèse à la modélisation des pertes fer, dont l'estimation n'est pas évidente. / The PhD work deals with a new structure of hybrid excited synchronous machine (MSDE) for the application of hybrid and electric vehicles. This kind of machine, with two excitation sources, benefits an additional degree of freedom and an easy control of flux. Due to this degree of freedom, the machine can be designed in the way that its best efficiency coincide with the most solicited operating zone. This new machine structure is the main subject of this study. The principle of this MSDE is presented in the first two chapters. The machine is then designed according to the specifications for an hybrid vehicle. The experimental validation has confirmed the proper functioning of the structure and shown its interest. Another important subject in the machine sizing is the thermal aspect because our machines are becoming more and more compact and powerful. A correct estimation of the iron loss is essential for evaluating correctly the machine performances. That's why we have decided to dedicate a part of this study to the modeling of iron loss, of which the estimation is not evident.

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