Entwurfsmorphologie und Charakterisierung von elektrischen Hochdrehzahlmaschinen

Hochdrehzahlmaschinen ermöglichen eine Steigerung der Leistungsdichte durch reduzierte Maschinenabmessungen bei gleicher Ausgangsleistung. Die auftretenden mechanischen Spannungen innerhalb des Rotors begrenzen jedoch die erreichbare Drehzahl beziehungsweise die Umfangsgeschwindigkeit und damit die Leistungsdichte. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die mechanischen Randbedingungen bei dem Entwurf von schnell drehenden Rotoren in einer Morphologie zusammenzufassen, sodass die Grenzen einer Maschinentopologie hinsichtlich des Hochdrehzahlbetriebs analytisch bestimmbar sind.
Eine analytische Methodik zur Bestimmung der maximalen mechanischen Spannung in unterschiedlichen Rotortopologien wird vorgestellt. Der Einfluss von notwendigen Pressverbindungen innerhalb der Rotorquerschnitte auf die Rotorfestigkeit wird analysiert. Es wird insbesondere die Wechselwirkung zwischen der Fliehkraftbelastung und der Materialbeanspruchung durch Pressverbände untersucht. Die mechanischen Modelle werden mit elektromagnetischen Modellen zu einer domänenübergreifenden Entwurfsmorphologie gekoppelt. Die Entwurfsmorphologie führt zu der Ableitung einer maximal umsetzbaren Drehzahl je nach Rotortopologie, ab welcher die elektromagnetisch notwendigen Komponenten nicht mehr innerhalb des Rotors platziert werden können. Folglich wird den Rotortopologien ein Bereich von umsetzbaren Umfangsgeschwindigkeiten und Drehzahlen zugeordnet.
Die entwickelten mechanischen Modelle werden durch Prüfstandsversuche verifiziert. Für diesen Zweck, wird die radiale Aufweitung von verschiedenen Rotorquerschnitten unter Drehzahl mit Hilfe von Lasersensoren gemessen. Die gemessene Rotoraufweitung kann durch die vorgestellten Material- und Kontaktmodelle simulativ abgebildet werden.