Optimierter Einsatz von Ferritmagneten in permanentmagneterregten Synchronmotoren für Elektrofahrzeuge

In der vorliegenden Dissertation wird eine konzeptionelle Maschine entwickelt. Dabei werden drei Disziplinen, die elektromagnetische, die mechanische als auch ein Optimierungsverfahren, zur Entwicklung des Maschinendesigns miteinander verknüpft. In der ersten Disziplin, der elektromagnetischen, werden die Performance als auch die elektrischen Eigenschaften mit den Anforderungen verglichen. Dabei werden zugleich problematische Eigenschaften wie das Entmagnetisieren der Magneten durch geeignete Optimierungen verbessert. Einhergehend wird in der mechanischen Disziplin ein strukturiertes Vorgehen mit diversen Optimierungsverfahren vorgestellt. In der letzten Disziplin liegt der Fokus auf dem gesamten Auslegungsprozess einer elektrischen Maschine. Dort wird gezeigt, dass anhand geeigneter Versuchspläne sowie Ablaufpläne der zeitliche Aufwand in einer Auslegung einer elektrischen Maschine minimiert wird. Diese drei gebündelten Disziplinen werden anhand einer Auslegung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine in dieser Dissertation gezeigt. Als Zielsetzung wird eine Substitution der schweren Seltenen Erden durch Ferritmagneten im Rotor herangezogen. Anhand dieser Zielsetzung werden zunächst einige Anforderungen sowie Randbedingungen zur angestrebten Optimierung gewählt. Dadurch entsteht eine Einschränkung einiger Parameter im Optimierungsprozess. Wie auch bei anderen Optimierungsproblemen muss hinsichtlich der Zielgrößen darauf geachtet werden, dass diese ein konträres Optimierungsverhalten aufweisen. Im Zuge der Zielgrößenfindung im Optimierungsprozess ist das Augenmerk auf die Minimierung der Berechnungszeit, die Genauigkeit sowie die Reproduzierbarkeit gelegt. Als Lösungsansatz dieses Optimierungsproblems werden zwei Ablaufpläne erstellt. Diese Pläne sollen durch Ineinandergreifen eine teilautomatisierte Lösung des Problems bieten. Im ersten Ablaufplan, dem Ablaufplan zur groben Auslegung, wird durch die gezielte Vereinfachung eine Reduzierung der Berechnungszeit vor-genommen. In Kombination mit der angewendeten statistischen Versuchsplanung (kurz DoE, engl. Design of Experience) wird eine Reduzierung der Rechenzeit ermöglicht. Am Ende des ersten Ablaufplanes zur groben Auslegung wird automatisch zu jeder Zielgröße ein mathematisches Modell, zum Beispiel dem Drehmoment im Eckpunkt, entwickelt. Durch diesen ersten Ablaufplan wird innerhalb kürzester Zeit eine Vielzahl an Magnetvariationen erstellt. Die für die Zielgrößen optimale Geometrievariation wird dann in einem zweiten Ablaufplan, dem Ablaufplan zur feinen Auslegung, hinsichtlich der Genauigkeit gesteigert. In diesem Ablaufplan werden die zeitintensiven Optimierungen, wie die Festigkeit des Blechschnitts und die Entmagnetisierungsfestigkeit der Magneten, vorgenommen. Hierzu werden die Optimierungen, die ein zielführendes Verhalten der bei-den Optimierungsprobleme zur Folge haben, in dieser Dissertation vorgestellt. Das Resultat dieses Ablaufplans ist eine Magnetanordnung, die eine reproduzierbare Lösungsfindung für das Optimierungsproblem darstellt. Zur Verifizierung des Optimierungsweges wird zuletzt das entstandene Maschinendesign an einem Proto-typ validiert. Die Verifizierung dieser Optimierungsmethode zeigt ein gutes bis sehr gutes Ergebnis. Es zeigte sich im Vergleich, dass mit den Ferriten im Vergleich zum Stand der Technik verwerteten SEE-Magneten ein vergleichbares Ergebnis erzielt wurde. Bei dem Drehmoment wurde ein Unterschied von ca. 7,5 % Abweichung ermittelt. Dabei sei anzumerken, dass in diesem Vergleich die Anforderungen an die Ferrite denen der SEE gleichgesetzt wurden. Somit kann der entstandene Lösungsweg für weitere Optimierungsprobleme angewendet werden.