Ein schnelles und genaues Simulationsmodell für permanentmagneterregte Kommutatormotoren kleiner Leistung mit Zahnspulen unter Berücksichtigung nichtlinearer Eigenschaften

This thesis presents a virtual rapid analysis model (VRAM) replacing the conventional reduced order systems model for physical value calculation of permanent magnet DC brush motors. The newly developed rapid calculation method (RCM) computes the superposition of magnetomotive forces with the aid of look-up tables while taking into account magnetic circuit saturation. Dynamic coil (current, voltage, flux linkage) and motor values (current, voltage, speed and torque) are calculated quickly and with high accuracy (including brush arcing) by the VRAM. Nonlinear flux linkage and torque values are almost identical to validated 3D finite element analysis, therefore verifying the model’s accuracy. The VRAM can be used to optimize nonmagnetic parameters, determine torque curves or develop control algorithms. The VRAM’s relative calculation speed versus conventional methods is an inexpensive alternative for research and development. Die vorliegende Arbeit präsentiert ein virtuelles Motormodell (kurz: VRAM – virtual rapid analysis model) für permanentmagneterregte Gleichstrommotoren nach einer Reduced-Order-Model-Methode, d. h. die Komplexität einer FEM-Berechnung wird signifikant herabgesetzt. Mit einer neu entwickelten Berechnungs-Methode (kurz: RCM – rapid calculation method) wird mit Hilfe von Lookup-Tabellen die Überlagerung der magnetischen Durchflutungsquellen quasi-analytisch unter Berücksichtigung magnetischer Sättigung berechnet. Dynamische Spulen- (Strom, Spannung, Flussverkettung) und Motorwerte (Strom, Spannung, Drehzahl und Drehmoment) werden im VRAM schnell und in hoher Genauigkeit bis hin zu Bürstenfeuer simuliert. Die nichtlinearen Werte für Flussverkettung und Drehmoment sind praktisch identisch mit denen aus 3D-FEM-Berechnungen und bestätigen die Genauigkeit. Das VRAM kann für die Optimierung von Parametern, welche nicht direkt den Magnetkreis beeinflussen, verwendet werden. Berechnete Motorkennlinien spiegeln das nichtlineare Verhalten des Magnetkreises sehr deutlich wieder. Außerdem lassen sich Regelalgorithmen am virtuellen Motor testen. Die dem VRAM zugrunde liegende schnelle Rechenzeit gegenüber konventionellen Methoden stellt hierdurch eine kostengünstige Alternative zu etablierten Simulationsprogrammen dar.