Geförderte Projekte

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verifikation der in elektromagnetischen Simulationen ermittelten Luftspaltkräfte einer elektrischen Maschine mittels geeigneter Messungen. Anhand der Messungen soll die Qualität der Simulationsergebnisse der elektromagnetischen Modelle untersucht werden und Anhaltspunkte liefern, welche Effekte in der Simulation berücksichtigt werden müssen, um deren Ergebnisgüte zu erhöhen.

Die Bestimmung der Kräfte im Luftspalt einer elektrischen Maschine soll mittels dreidimensionaler Messungen der Luftspaltflussdichte erfolgen. Dazu soll die Luftspaltflussdichte mit Hilfe von in den Luftspalt eingebrachten Messpulen bestimmt werden. Mit den Spulenanordnungen soll die induzierte Spannung in den Spulen gemessen werden und daraus die Flussdichte berechnet werden, die mit dem simulierten Luftspaltfeld verglichen werden kann. Anhand der Flussdichte im Luftspalt können damit genau wie in der Simulation über den Maxwell’schen Spannungstensor die dazugehörigen Luftspaltkräfte berechnet werden. Eine zeitsynchrone, dreidimensionale Messung der Flussdichte am gesamten Luftspaltumfang ermöglicht die räumlich und zeitlich aufgelöste Erfassung der Luftspaltkräfte und ist damit die Voraussetzung für einen fundierten Vergleich mit den elektromagnetischen Simulationsergebnissen.

Die während des Forschungsvorhabens gewonnenen Erkenntnisse zum Messaufbau und dessen Konzeptionierung sollen in Form einer Skalierungsvorschrift für den zukünftigen Einsatz in der Industrie zugänglich gemacht werden. So soll besonders KMUs die Möglichkeit gegeben werden, eigene elektromagnetische Simulationsmodelle zu verifizieren und zu verbessern. Denn mit belastbaren elektromagnetischen Modellen kann besonders in frühen Konzeptphasen die Prognosegüte im Auslegungsprozess erhöht werden und damit auf eine kostenintensive Herstellung von A-Muster verzichtet werden, was besonders für KMUs das finanzielle Risiko von Neuentwicklungen senkt und einen deutlichen Wettbewerbsvorteil bietet.

Hauptziel des Forschungsvorhabens ist es, eine Methodik zur Auslegung ressourceneffizienter elektrischer Maschinen auf Basis der diskreten Topologieoptimierung zu entwickeln. Die Forschungsarbeiten sollen unter dem Fokus der Reduktion des Materialeinsatzes für die aktiven Bauteile und Baugruppen in elektrischen Maschinen durchgeführt werden.

Zunächst kommen die Level-Set-Methode und die Methode mit variabler Materialdichte zum Einsatz. Diese Ansätze ermöglichen die effiziente und leistungsoptimierte Gestaltung von Strukturen, indem die Materialverteilung innerhalb eines gegebenen Designs dynamisch angepasst wird. Neben dem deterministischen Verfahren sollen klassische Genetischen Algorithmen und deren Erweiterungen auf nicht-dominierte Lösungen für Mehrzieloptimierungen und weitere Methoden, wie zum Beispiel die Optimierungsalgorithmen der Ameisenkolonien, der Partikelschwärme und der Bienenkolonien für eine Einsatz bei der Topologieoptimierung geprüft sowie ggfs. berücksichtigt und untersucht werden. Für die Zielfunktion soll ein zusätzlicher Term entwickelt werden, der die Materialkonnektivität der Zellen gleichen Materials bewertet. Dieser Zusatzterm soll in der Zielfunktion berücksichtigt werden, damit Materialverteilungen, die nicht fertigbar sind, während des Optimierungslaufs sukzessive ausgeschlossen werden.

Diese Methoden sollen in die Simulationsumgebung implementiert werden, um am zuvor genannten Beispiel der PMSM die praktische Anwendbarkeit durch vergleichende Auslegungs- und Optimierungsrechnungen zu prüfen. Um die Fähigkeiten der Topologieoptimierung in Bezug auf die Ressourceneffizienz von Maschinenentwürfen im Sinne von Materialeinsparungen zu prüfen, sollen anhand des Beispiels einer industriell vorhandenen PMSM Auslegungs- und Optimierungsrechnungen sowohl für fest vorgegebene Bauteiltopologien, die sich an der industriellen Maschine orientieren und die die aktuellen Blechschnittgeometrien als Ausgangspunkt nehmen, als auch für variable Bauteiltopologien mit Hilfe der Topologieoptimierung durchgeführt werden. Dazu sollen die bisher untersuchten Methoden sowie die in den vorherigen Arbeitspaketen durchgeführten Erweiterungen und Ergänzungen der bisherigen Methoden zur Anwendung kommen.