Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4739
Main Title: Modellierung und Parameteroptimierung einer permanenterregten Synchronmaschine unter Berücksichtigung von Lastzyklen
Translated Title: Modelling and parameter optimization of a permanent magnet synchronous machine with regard to variable loads
Author(s): Kreim, Alexander
Advisor(s): Schäfer, Uwe
Referee(s): Schäfer, Uwe
Kost, Arnulf
Böcker, Joachim
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit wird ein Werkzeug vorgestellt mit dem eine elektrische Maschine für den Betrieb mit variabler Last entworfen werden kann. Die Anwendung dieses Werkzeugs wird am Beispiel des Entwurfs einer permanenterregten Synchronmaschine für das Elektrofahrzeug VW CitySTROMer gezeigt. Das vorgestellte Vorgehen ist immer dann einsetzbar, wenn eine permanenterregte Synchronmaschine mit variabler Last betrieben werden und im Auslegungs-Prozess eine große Anzahl von Betriebspunkten berücksichtigt werden soll. Es wird untersucht, welchen Einfluss verschiedene Fahrzyklen auf das Blechschnitt-Design der permanenterregten Synchronmaschine haben. Hierfür stehen fünf verschiedene Zyklen zur Verfügung: Bei den Zyklen „Schwarzwald”, „Berlin” und „Peking” handelt es sich um gemessene Zyklen, die mit Hilfe eines GPS-Datenloggers aufgezeichnet wurden. Die Zyklen „NEFZ” und „WLTC” sind standardisierte Zyklen, die zur Verbrauchsmessung verwendet werden. Das Ziel des Motorentwurfs sind die Parameter des zugrunde gelegten Blechschnitts. Um eine verlustoptimale Einstellung der Parameter zu erreichen, erfolgt die Bestimmung der Parameter des Blechschnitts mit Hilfe einer Optimierungsrechnung. Es wird ein gradientenbasiertes Optimierungsverfahren eingesetzt. Anhand der Fahrzyklen lassen sich die Betriebspunkte der elektrischen Maschine in der Drehmoment-Drehzahl-Ebene bestimmen. Als Ergebnis erhält man mehr als 1000 Betriebspunkte. Im ersten Schritt wird mit Hilfe des relativen Energieumsatzes die Anzahl der Betriebspunkte reduziert. Für den Zyklus „NEFZ” ergeben sich zum Beispiel 32 relevante Betriebspunkte und für den Zyklus „Schwarzwald” sind es 229. Um diese immer noch hohe Anzahl der Betriebspunkte in die Optimierung integrieren zu können, wird ein Rechenzeit effizientes Modell der permanenterregten Synchronmaschine erstellt. Es werden analytische Modelle verwendet, da sie gegenüber der Finite-Elemente-Methode (FEM) deutliche Vorteile hinsichtlich der Rechenzeit aufweisen. Um die Berechnung der Verluste und der Ströme für einen Betriebspunkt zu beschleunigen, wird der magnetische Kreis um den Sättigungszustand linearisiert, der sich durch die Erregung des magnetischen Kreises durch die Magnete ergibt. Die Sättigung wird durch eine Vergrößerung des magnetisch wirksamen Luftspalts berücksichtigt. Bei hoher Ankerrückwirkung wird der Sättigungszustand verändert und das linearisierte Modell verliert seine Gültigkeit. Dies wird in der Optimierungsrechnung berücksichtigt, indem die zulässige Ankerrückwirkung durch Vorgabe einer oberen Grenze für die Flussdichte im Statorzahn und im Statorjoch begrenzt wird. Die Optimierung erfolgt in zwei Schritten: In der inneren Optimierung werden für jeden Betriebspunkt für konstante Werte der Optimierungsvariablen die Quer- und Längsströme ermittelt, für die sich die geringsten Verluste einstellen. Anschließend erfolgt die Berechnung der Zielfunktion, indem die Verluste jedes Betriebspunkts mit Hilfe einer gewichteten Mittelwertbildung zu den mittleren Zyklusverlusten zusammengefasst werden. Im zweiten Schritt werden durch eine äußere Optimierungsschleife die Optimierungsvariablen so eingestellt, dass die mittleren Zyklusverluste minimiert werden. Dabei werden gegebene Strom- und Spannungsgrenzen berücksichtigt. Der verwendete Optimierungsalgorithmus ist ein Trust-Region-Verfahren, welches auf einer exakten Straffunktion basiert. Da es sich um ein gradientenbasiertes Verfahren handelt, werden auch die Ableitungen der Zielfunktion und der Nebenbedingungen nach dem Parametervektor analytisch berechnet. Dies hat im Vergleich zur Berechnung der Gradienten mit Hilfe von finiten Differenzen den Vorteil, dass deutlich weniger Funktionsauswertungen erforderlich sind, was Rechenzeit spart. Zur Bewertung der gefundenen Blechschnitte werden Wirkungsgradkennfelder verwendet. Insbesondere der Vergleich der geometrischen Unterschiede zweier Blechschnitte mit der Differenz ihrer Wirkungsgradkennfelder erlaubt es, Rückschlüsse auf den Einfluss der Optimierungsvariablen auf das Wirkungsgradkennfeld zu ziehen. Wird ein optimierter Blechschnitt in verschiedenen Zyklen betrieben, dann zeigt sich, dass die Verlustenergien nur geringfügig variieren. Wird ein Blechschnitt zum Beispiel für den Zyklus „Schwarzwald” optimiert, dann weist dieser Blechschnitt im Zyklus „WLTC” nur eine geringfügig höhere Verlustenergie auf, als der Blechschnitt, der für den Zyklus „WLTC” optimiert wurde. Ein weiteres Ergebnis ist, dass der optimale Blechschnitt für einen Zyklus stark von den Randbedingungen, wie dem Einsatz eines Getriebes oder der Sättigungsflussdichte des Elektroblechs beeinflusst wird.
This thesis introduces a method which allows the design of an electric machine with regard to variable loads. It is demonstrated by designing a permanent magnet synchronous machine for the VW CitySTROMer. Yet the presented approach is not limited to the design of traction motors of electric vehicles, it can be used whenever a large number of operating points has to be taken into account. Based on the described process a comparison of different stator laminations of permanent magnet synchronous machines is possible. Each lamination is the result of an optimization for a certain driving cycle. To determine the influence of a driving cycle, five different driving cycles are used. The cycles Black Forest, Berlin and Beijing are measured cycles which have been recorded by using a GPS data logger. The cycles NEDC (New European Driving Cycle) and WLTC (Worldwide harmonized Light duty driving Test Cycle) are standard cycles, which are used to measure a vehicle's energy consumption and emission. The goal of the optimization is to calculate the parameters of a given lamination layout. Since most of the optimization variables are continuous variables, a gradient based optimization algorithm is chosen. Each driving cycle delivers more than 1000 operating points in the torque speed plane. As a first step, the number of operating points is reduced by using the relative energy throughput. For Example, the number of operating points of the NEDC is reduced to 32 and the reduced number of points of the Black Forest cycle is 229. Regarding the effort, which is needed to calculate the data of an operating point, this is still a huge number of points. Therefore an efficient model of the permanent magnet synchronous machine has been developed. Compared to the finite element method, analytic models need less computational effort and are therefore used in this thesis. If the magnetic circuit is excited by the magnets, the resulting flux densities in the iron parts of the magnetic circuit determine a certain saturation level. Another step towards the desired reduction of calculation time is to linearise the magnetic circuit at this level of saturation. The saturation is taken into account by enlarging the magnetic air-gap. If there is a high armature reaction the saturation level will be different. In this case the linearisation is no longer valid. To include this aspect into the optimization, a constraint is added, which limits the flux density in the stator tooth and stator yoke to a given level. The optimization is reached in two steps. 1. The inner optimization: The operating data like direct and quadrature axis currents and voltages, are calculated for each operating point. The optimization variables are held constant during this step. The currents are calculated such that the losses for this operating point are minimal and the terminal voltage does not exceed a given limit. The next step is the calculation of the target function which is a weighted sum of the losses of each operating point. The target function represent the total cycle losses. 2. The outer optimization: In the outer optimization loop the optimization variables are calculated in a way that the total cycle losses are at a minimum. Here the limits for the terminal current and the terminal voltage are taken into account. The used optimization algorithm is a trust region algorithm, which is based on an exact penalty function. This algorithm uses the gradients of the target function and the constraints. Due to the analytic model of the permanent magnet synchronous machine the gradients can be calculated analytically. Compared to approximation of the gradients by the finite difference formula, the number of function evaluations can be reduced, which saves computation time. For evaluating the optimized lamination layouts, efficiency maps are used. Especially the comparison of the geometric differences of the lamination layouts with the corresponding difference in the efficiency maps shows the impact of the optimization variables on the results. If an optimized lamination is operated in different driving cycles, the energy losses vary only slightly. A stator lamination which has been optimized for the driving cycle Black Forest, produces only slightly higher losses, if it is used for the driving cycle WLTC compared to the losses, which result from a lamination layout, which has been optimized for the driving cycle WLTC. The optimal lamination layout of the electric machine is strongly influenced by additional constraints like the use of a transmission or the saturation of the electrical sheet.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-72539
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5036
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4739
Exam Date: 22-Jul-2015
Issue Date: 6-Oct-2015
Date Available: 6-Oct-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Elektrofahrzeug
Motorentwurf
Optimierung
Permanenterregte Synchronmaschine
Variable Lasten
Electric vehicle
Motor design
Optimization
Permanent magnet synchronous machine
Variable loads
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