Effiziente Methoden zur Auslegung und Berechnung mehrphasiger flussmodulierter elektrischer Maschinen am Beispiel der Flux-Switching-Maschine

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der effizienten Auslegung und Berechnung von mehrphasigen flussmodulierten Maschinen. Auch wenn die entwickelten Methoden und Modelle hier am Beispiel von Flux-Switching-Maschinen angewendet werden, sind sie allgemeingültig und lassen sich für weitere flussmodulierte Maschinen, wie Vernier- und Flux-Reversal-Maschinen, einsetzen. Die Arbeit liefert dabei vier wesentliche wissenschaftliche Beiträge, die im Folgenden zusammengefasst werden:
Die Beschreibung des Funktionsverhaltens einer flussmodulierten Maschine mithilfe der i.d.R. auf der Grundwelle basierenden Drehfeldtheorie ist nicht einmal ausreichend, um auch nur die Entstehung einer Komponente des Drehmoments zu erklären. Daher wird die Drehfeldtheorie um harmonische Effekte, Mehrphasigkeit und um die Berücksichtigung von Nutung erweitert. Anschließend erfolgt unter Anwendung des vollständig mathematisch hergeleiteten Instrumentariums eine Analyse des Funktionsprinzips der Flux-Switching-Maschine.
Das aus der Modulation resultierende harmonische Spektrum erfordert ein gegenüber konventionellen Maschinen abweichendes Vorgehen bei der Auslegung der Wicklung. Hierzu wird ein automatisierter und deterministischer Algorithmus entwickelt, welcher auf Flussgrößen basiert, das gesamte harmonische Spektrum an Feldwellen berücksichtigt und die Auslegung von Wicklungen beliebiger Phasenzahlen zulässt.
Zur Berechnung von magnetischen Flussgrößen wird ein auf magnetisch äquivalenten Netzwerkelementen basierendes generisches Maschinenmodell entwickelt und in Software umgesetzt, welches gleichermaßen Nutungs- und Sättigungseffekte berücksichtigt. Dieses erlaubt es dem Anwender die Geometrie frei vorzugeben und nimmt ihm die Aufstellung und Lösung des numerischen Gleichungssystems vollständig ab. Die Entwicklung des Maschinenmodells erfolgt dabei eng an den Anforderungen an numerisch effizient lösbare Gleichungssysteme. Dabei wird auch eine hybride Formulierung, welche auf einer formalen Lösung der Maxwellgleichungen im Luftspalt basiert, untersucht. Sie erweist sich trotz einer Reduktion an zu bestimmenden Unbekannten als numerisch aufwändiger und damit ineffizienter als eine ebenfalls in dieser Arbeit entwickelte Implementierung basierend auf magnetisch äquivalenten Netzwerkelementen. Die hohe Genauigkeit der mit dem entwickelten Maschinenmodell berechneten Feldlösung wird mithilfe der Finite Elemente Methode nachgewiesen.
Die entwickelten Methoden und Modelle werden zu einer Toolkette kombiniert, mit deren Hilfe eine Topologiestudie über Flux-Switching-Maschinen mit drei bis zwölf Phasen erfolgt. Sie umfasst 218 ausführbare global optimierte Topologien, von denen viele Topologien mit mehr als drei Phasen erstmalig in dieser Arbeit beschrieben werden. Ein Abgleich mit Ergebnissen aus anderen Forschungsarbeiten weist nach, dass entweder nachweislich bessere Wicklungsauslegungen gefunden werden oder bereits bekannte Auslegungen als optimal verifiziert werden können. This thesis deals with the efficient design and calculation of multiphase flux-modulated machines. Even though the methods and models developed in this thesis are applied to the example of flux-switching machine, they can also be used to model other machines which are based on the flux-modulation principle, such as Vernier and flux-reversal machine, without loss of generality. This thesis provides four major contributions, which are briefly summarized below:
The description of the functional behavior of a flux-modulated machine by means of the rotating field theory, solely based on the fundamental wave, is insufficient. Therefore, the rotating field theory is extended to include slotting effects. In order to be more general, the theory is extended for multiphase windings, and the operating principle of the flux-switching machine is analyzed.
The harmonic spectrum resulting from the flux-modulation-effect requires a different approach for the winding design compared to that used for conventional machines. For this purpose, an automated and deterministic algorithm based on flux quantities is developed. It considers the entire harmonic spectrum of field waves and allows to design windings of arbitrary phase numbers.
For the calculation of magnetic flux, a generic modeling approach based on magnetic equivalent circuit theory is developed and implemented in software, which considers slotting and saturation effects. From the geometrical data, the formulation as well as the solution of the field equations are automatically done by the developed software. The development of the machine model takes the numerical efficiency aspects in solving the system of equations into consideration. A hybrid formulation, which is based on a formal solution of Maxwell’s equations in the air gap, is also investigated. Despite a reduction in the number of unknowns to be determined, it proves to be numerically more complex and thus inefficient than an implementation based on magnetic equivalent network elements developed in this work. The high accuracy of the field solution is demonstrated by comparing with results from finite element method.
The developed methods and models are integrated into a toolchain, which is used for a topology study of flux switching machines with three to twelve phases. It consists of 218 different globally optimized topologies. Many topologies with more than three phases are described for the first time in this thesis. A comparison with results from other research work proves that either better winding designs are found in this thesis or already known designs can be reproduced and verified as optimal.