Analyse und Behandlung von unsymmetrischen Zuständen in fehlertoleranten PM-Synchronmaschinen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit aktuellen Forschungsaktivitäten im Bereich der elektrischen Antriebstechnik für die Automobilindustrie. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Betrachtung von sicherheitsrelevanten E-Antrieben im Fahrwerk, allen voran der Lenkung. Es wird zunächst eine fehlertolerante Antriebsarchitektur für den genannten Anwendungsfall vorgeschlagen, die insbesondere auf die speziellen Bedürfnisse der Automobilindustrie zugeschnitten ist.

Basierend auf dieser Antriebsarchitektur erfolgt eine ausführliche Untersuchung von unsymmetrischen Zuständen in der fehlertoleranten E-Maschine, die nicht nur durch Fehlerereignisse vor und während des Betriebs, sondern auch durch konstruktionsbedingte Einflüsse in der E-Maschine bereits inhärent vorhanden sein können. Zur detaillierten Untersuchung dieser Unsymmetrien wird ein leistungsfähiges E- Maschinenmodell entwickelt, welches per se widersprüchliche Modellierungsziele wie Präzision, Schnelligkeit, Flexibilität und Allgemeingültigkeit auf bestmögliche Weise vereinigen kann. Aufgrund der natürlichen Verkopplung und gegenseitigen Einflussnahme erfolgt die Modellierung in allen relevanten physikalischen Bereichen, nämlich der elektrischen, magnetischen, thermischen und mechanischen Domäne. Eine ausführliche Simulation von gängigen elektrischen Fehlerszenarien (z.B. Kurzschluss- und Unterbrechungsfehler), aber auch magnetischen Unsymmetrien (z.B. defekte Magnete und exzentrische Rotoren) rundet die Theorien zur allgemeinen unsymmetrischen Modellierung ab. In diesem Zuge wird die vorgeschlagene fehlertolerante E-Maschine einer konventionellen Standardvariante gegenübergestellt und dabei ihre Eignung für den vorliegenden Anwendungsfall untermauert.

Anschließend wird unter Verwendung des Modells eine Methode entwickelt, wie die Unsymmetrie in der Maschine durch Anwendung einer unsymmetrischen Spannungsspeisung in allen Zuleitungen bestmöglich kompensiert werden kann. Die Speisung erfolgt derart, dass die Maschine in allen Betriebspunkten stets die geringstmögliche thermische Verlustleistung erzeugt und so einer Überhitzung bzw. Notabschaltung im Fehlerfall vorgebeugt werden kann. Ergänzend wird eine kurze Betrachtung darüber angestellt, wie die Maschine durch restriktive, lokale Designänderungen bereits im Vorfeld robuster gegenüber einer Erhitzung im Fehlerfall gemacht werden kann.

Schließlich wird ein praktischer Prüfstandsaufbau präsentiert, der dazu dient, beliebige elektrische Fehler in eine speziell angefertigte Prüfmaschine zu injizieren und alle relevanten Reaktionen der Maschine, wie Temperaturanstiege im Inneren und Äußeren, Ströme und mechanische Schwingungen (hervorgerufen durch Drehmomentpulsationen) zu analysieren. Die Prüfmaschine ist in eine Test- und Messumgebung eingebettet, die das spätere Einsatzszenario so gut wie möglich nachbilden soll. Erste Messungen am noch im Aufbau befindlichen Prüfstand dienen zur Validierung der Simulationen und schließen die vorliegende Arbeit ab.