Advertisement

e & i Elektrotechnik und Informationstechnik

, Volume 135, Issue 2, pp 213–222 | Cite as

Untersuchung der Auswirkungen der Statorsegmentierung auf die Eigenschaften eines elektrischen Kraftfahrzeugtraktionsantriebs

  • Markus Balluff
  • Jan Karthaus
  • Michael Schröder
  • Martin Gerlach
  • Kay Hameyer
Originalarbeit

Zusammenfassung

Statoren für elektrische Maschinen können aus fertigungstechnischen Gründen aus einzelnen Segmenten zusammengebaut werden, um so zum Beispiel bereits fertigbewickelte Einzelzähne zu einem Stator zusammenzubauen. Die Verbindung zwischen den einzelnen Segmenten muss zum einen mechanisch stabil sein und darf zum anderen das elektromagnetische Verhalten nur wenig beeinflussen. Die Einflüsse der Segmentierung des Stators und des Pressverbundes mit dem Statorgehäuse werden in diesem Beitrag hinsichtlich des elektromagnetischen Verhaltens untersucht. Dabei wird auch der Einfluss von Fertigungstoleranzen berücksichtigt. Dazu wird zunächst der Einfluss der mechanischen Spannung auf das Magnetisierungsverhalten ferromagnetischer Feststoffe anhand der Magnetostriktion und des Villari-Effektes vorgestellt. Des Weiteren werden Messungen des Villari-Effekts eines Elektrobands vorgestellt, welche zur Modellierung dieses Effekts in der elektromagnetischen Simulation verwendet werden. Anschließend wird der Pressverbund der Statorsegmente im Statorträger mittels einer 2D-Finite-Elemente-Simulation berechnet. Das mechanische Spannungsverhalten und die Verformung der Statorsegmente werden für unterschiedliche Toleranzlagen untersucht und analysiert. Unter Verwendung der Ergebnisse der mechanischen Simulation wird dann die Geometrie für die elektromagnetische Simulation aufgebaut und die Maschine unter Berücksichtigung des spannungsabhängigen Materialverhaltens simuliert. Mit der elektromagnetischen Simulation werden der Einfluss der mechanischen Spannungen und der Verformung der Segmente auf die Flussdichte im Statorjoch und am Luftspalt der Maschine sowie das Drehmoment und die Eisenverluste untersucht. Die Ergebnisse werden exemplarisch für den Eckpunkt der Maschine mit maximalem Drehmoment ausgewertet. Es werden die unterschiedlichen Toleranzlagen der Maschine bei der Auswertung berücksichtigt.

Schlüsselwörter

elektrische Maschine segmentierter Stator mechanische Simulation elektromagnetische Simulation Fertigungsabweichung Villari-Effekt 

Study on the effects of stator segmentation on the characteristics of an electrical vehicle traction drive

Abstract

To utilize manufacturing advantages, e.g. using pre-wound single teeth, stator cores for electrical machines can be segmented. The connection between the single teeth has to be mechanically sturdy, while the influence on the electromagnetic performance must be minimal. The influences of the segmentation of the stator and of the fit assembly with the stator housing are examined in this article with regard to the electromagnetic behavior. The influence of manufacturing tolerances is considered as well. First, the influence of mechanical stress on the magnetization behavior of ferromagnetic solids based on the magnetostriction and the Villari effect is presented. Furthermore, measurements of the Villari effect are presented, which are used to model this effect in the electromagnetic simulation. Subsequently, the fit assembly of the stator segments in the stator carrier is calculated by means of a 2D finite element simulation. The mechanical stress behavior and the deformation of the stator segments are determined and analyzed for different tolerance levels. Using the results of the mechanical simulation, the geometry for the electromagnetic simulation is derived. The machine is simulated in an electromagnetic way, taking into account the stress dependent material behavior. The influence of mechanical stress and the deformation of the segments is studied. The flux density in the stator yoke and the air gap of the machine, as well as the torque and the iron losses are evaluated. The results are analyzed exemplarily for the corner point of the machine with maximum torque. The different tolerance positions of the machine are taken into account.

Keywords

electrical machine segmented stator mechanical simulation electromagnetic simulation manufacturing deviations Villari effect 

Literatur

  1. 1.
    Füßel, A. (2017): Technische Potenzialanalyse der Elektromobilität. Berlin: Springer. CrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    Eilenberger, A., Schrödl, M., Demmelmayr, F. (2011): Elektrofahrzeuge mit Permanentmagnet-Synchronmaschinen. E&I, Elektrotech. Inf.tech., 128(1) 40–46. CrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    Shen, J., Wang, C., Miao, D., Jin, M., Shi, D., Wang, Y. (2011): Analysis and optimization of a modular stator core with segmental teeth and solid back iron for PM electrical machines. In Electrical machines & drives conference (IEMDC) (pp. 1270–1275). Google Scholar
  4. 4.
    Neubauer, M., Neudorfer, H. (2015): Besonderheiten hochausgenutzter Traktionsmaschinen mit kurzer Baulänge. E&I, Elektrotech. Inf.tech., 132(1), 18–24. CrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    Wang, J., Yuan, X., Atallah, K. (2013): Design optimization of a surface-mounted permanent-magnet motor with concentrated windings for electric vehicle applications. IEEE Trans. Veh. Technol., 62(3), 1053–1064. CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    Albrecht, T., Gürsel, C., Lamprecht, E., Klier, T. (2012): Joining techniques of the rotor segmentation of PM-synchronous machines for hybrid drives. In Proceedings: 2nd international electric drives production conference. Google Scholar
  7. 7.
    Franke, J., Albrecht, T., Lamprecht, E., Hubert, M., Schneider, M. (2014): The development and validation of a segmented rotor design for electric motors in hybrid vehicle applications. Internation symposium on power electronics, electrical drives, automation and motion, SPEEDAM, 106–111. Google Scholar
  8. 8.
    Leuning, N., Steentjes, S., Schulte, M., Bleck, W., Hameyer, K. (2016): Effect of elastic and plastic tensile mechanical loading on the magnetic properties of NGO electrical steel. J. Magn. Magn. Mater., 417, 42–48. CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Karthaus, J., Steentjes, S., Hameyer, K. (2016): Mechanical stress-dependency of iron losses in non-oriented electrical steel sheets. In Proceedings: XXIV symposium electromagnetic phenomena in nonlinear circuits (S. 111–112). Google Scholar
  10. 10.
    Naumoski, H., Maucher, A., Herr, U. (2015): Investigation of the influence of global stresses and strains on the magnetic properties of electrical steels with varying alloying content and grain size. In Proceedings: 5th international electric drives production conference (S. 1–8). Google Scholar
  11. 11.
    Cullity, B., Graham, C. (2003): Introduction to magnetic materials. 2. Aufl. New York: Wiley-IEEE Press. Google Scholar
  12. 12.
    DIN IEC 60404-3, Magnetische Werkstoffe - Teil 3: Verfahren zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften von Elektroband und -blech mit Hilfe eines Tafelmessgerätes, 2010. Google Scholar
  13. 13.
    Leuning, N., Steentjes, S., Hameyer, K. (2017): Effect of magnetic anisotropy on villary effect in non-oriented FeSi electrical steel. Int. J. Appl. Electromagn. Mech., 55(1), 23–31. CrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    Miyagi, D., Maeda, N., Ozeki, Y., Miki, K., Takahashi, N. (2009): Estimation of iron loss in motor core with schrink fitting using FEM analysis. IEEE Trans. Magn., 45(3), 1704–1707. CrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    Makar, J., Tanner, B. (2000): The effect of plastic deformation and residual stress on the permeability and magnetostriction of steels. J. Magn. Magn. Mater., 222(3), 291–304. CrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    von Pfingsten, G., Paul, D., Hameyer, K. (2016): Influence of axial mechanical stress on the magnetic properties of non-oriented electrical steel, In 6th international electric drive production conference (EDPC), Nürnberg (S. 193–200). Google Scholar
  17. 17.
    Gebhardt, C. (2014): Praxisbuch FEM mit Ansys Workbech: Einführung in die lineare und nichtlineare Mechanikl, 2. Überarbeitete Auflage. Munich: Hanser. CrossRefGoogle Scholar
  18. 18.
    Wriggers, P. (2006): Technische Mechanik kompakt: Starrkörperstatik Elastostatik Kinetik, 2. Durchgeschaute und überarbeitete Auflage. Leipzig: Teubner Verlag | GWV Fachverlage GmbH. CrossRefGoogle Scholar
  19. 19.
    ANSYS (Hrsg.) (2010): Ansys mechanical structural nonlinearities: introduction to contact. Google Scholar
  20. 20.
    Gaertner, E. L., Bortoli, M. G. d. (2006): Some aspects for the simulation of a non-linear problem with plasticity and contact. In Proceedings International Ansys Conference (Vol. 134) Google Scholar
  21. 21.
    Gottstein, G. (2014): Materialwissenschaft und Werkstofftechnik: Physikalische Grundlagen, 4. neu bearbeitete Auflage. Berlin: Springer. CrossRefGoogle Scholar
  22. 22.
    Thomas, S. (2001): Konstitutive Gleichungen und numerische Verfahren zur Beschreibung von Verformung und Schädigung. Dissertation, Technische Universität Darmstadt. Google Scholar
  23. 23.
    Linke, M., Nast, E. (2015): Festigkeitslehre für den Leichtbau. Berlin: Springer. CrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    Balluff, M., Naumoski, H., Hameyer, K. (2016): Sensitivity analysis on tolerance induced torque fluctuation of a synchronous machine. In Proceedings: 6th international electric drives production conference (S. 128–134). Google Scholar
  25. 25.
    Petkovska, L., Cvetkovski, G. (2008): Performance optimization of a permanent magnet synchronous motor by sampling based sensitivity analysis. In Proceedings: international conference on electrical machines. Google Scholar
  26. 26.
    Wu, Z., Guo, H., Qian, H., Wang, D. (2013): Sensitive analysis of geometrical parameters on robust design for surface mounted permanent magnet synchronous motor. In Proceedings: international conference on electrical machines and systems (S. 1169–1173). Google Scholar
  27. 27.
    Karthaus, J., Steentjes, S., Leuning, N., Hameyer, K. (2017): Effect of mechanical stress on different iron loss components up to high frequencies and magnetic flux densities. Compel, no. 3, vol. 36, 580–592. CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Austria, ein Teil von Springer Nature 2018

Authors and Affiliations

  • Markus Balluff
    • 1
  • Jan Karthaus
    • 1
  • Michael Schröder
    • 1
  • Martin Gerlach
    • 1
  • Kay Hameyer
    • 1
  1. 1.Institut für Elektrische Maschinen (IEM)RWTH Aachen UniversityAachenDeutschland

Personalised recommendations