Einfluss von parasitären Effekten und Fertigungsabweichungen auf die Kräfte in elektrischen Maschinen

Zusammenfassung

Im Fertigungsprozess von elektrischen Maschinen treten unweigerlich Abweichungen auf. Wie bei allen Fertigungsprozessen ist nur eine endliche Fertigungsgenauigkeit erreichbar, so dass jedes gefertigte Bauteil eine Abweichung von seinen idealen Eigenschaften aufweist. In mehrstufigen Fertigungsverfahren akkumulieren sich diese Abweichungen der einzelnen Bauteile. Für die Konstruktion und Fertigung einer elektrischen Maschine werden die Bauteile zwar entsprechend toleriert, während der elektromagnetischen Auslegung hingegen wird weitestgehend von idealen Abmessungen und geometrischen Symmetrien ausgegangen. Eine übliche Asymmetrie beispielsweise ist die Exzentrizität, eine nicht konzentrische Ausrichtung zwischen Rotor und Stator.

Bei der Auslegung und der Berechnung der elektrischen Maschine werden in der Regel auch isotrope und homogene Materialeigenschaften angenommen. In permanentmagneterregten elektrischen Maschinen unterliegen die Permanentmagnete beispielsweise je nach Güte einer deutlichen lokalen Abweichung in ihrer Magnetisierungsamplitude und -richtung.

All diese Abweichungen haben Einfluss auf die magnetische Flussdichteverteilung in der Maschine und somit auch auf die auftretenden lokalen Kräfte. Summenkräfte, Drehmoment, Verluste, akustisches Verhalten oder Lebensdauer nicht idealer elektrischer Maschinen können somit deutlich von denen in idealen Maschinen abweichen. Wird die Maschine in einem geregelten Antriebsstrang betrieben, sind auch parasitäre Einflüsse durch Antriebsstrangkomponenten wie Leistungselektronik und Regelung von Bedeutung.

In diesem Beitrag wird der Einfluss von parasitären Effekten und Fertigungsabweichungen auf die Kräfte in elektrischen Maschinen untersucht. Durch statistische Toleranzrechnung werden die Wahrscheinlichkeiten für ausgewählte Abweichungen bestimmt. Mittels eines zeiteffizienten analytischen Rechenverfahrens werden die durch die Abweichungen zusätzlich entstehenden Kräfte über den gesamten Betriebsbereich der elektrischen Maschine bestimmt und charakterisiert.

Abstract

In the production process of electrical machines, various stochastic manufacturing deviations occur. Like all production processes, just a limited accuracy is achievable. Every manufactured component deviates from its ideal properties. During the manufacturing steps, deviations of the individual parts are accumulated. The components of electrical machines are designed and produced within a tolerance range. During the electromagnetic design, ideal dimensions and geometric symmetries are usually assumed. This does not reflect the reality. An example of a typical asymmetric problem is eccentricity, a non-concentric orientation between the rotor and the stator.

Furthermore, in the design and simulation of electrical machines, the material properties are normally assumed to be isotropic and homogeneous. Due to the manufacturing process, the material properties can deviate from their ideal characteristics. In electrical machines with permanent magnets, e.g. the magnets have considerably local deviations in magnitude and direction of the magnetization.

All deviations influence the flux density distribution in an electrical machine. This leads to the deviation of the calculated local forces. Therefore, the behavior of a real electrical machine, i.e. sum forces, torque, losses, acoustic behavior or operating lifetime, can differ significantly from an ideal machine. For machines operating in controlled drive trains, parasitic effects from the drive train components, such as power electronics and control, have significant roles.

In this article, the influences of manufacturing deviations and parasitic effects on forces in electrical machines are presented. With statistic tolerance calculation, the probabilities for relevant manufacturing deviations are determined. With a time efficient analytical analysis tool, the forces originated by manufacturing deviations are calculated. The forces are determined and distinguished for the whole operating area of the machine.