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Doctor's Theses (authored and supervised):

R. Riegler:
"Methodik zur Auslegung von gewickelten Rotoren für permanenterregte Axialflussmaschinen";
Supervisor, Reviewer: M. Grafinger, H. E. Pettermann, M. Leitner; Inst. für Konstruktionwissenschaften und Produktentwicklung, 2021; oral examination: 2021-07-07.



English abstract:
The current electrification in automotive technology and industry necessitates the best
possible utilization of the available installation space. Due to the high built-in storage
capacities with a simultaneous low energy density, attempts are being made to accommodate
the drives in previously unused and unsuitable installation spaces for energy storage.
Axial flux motors can be suitable for this issue because of their disc-shaped construction.
In addition, they offer a higher torque density than radial flux motors with the same
diameter.
For radial flux machines, electrical sheet metal layered in the direction of the rotor axis is
used to reduce stray fields. The individual layers are aligned parallel to the direction of
the magnetic flux. For conventional axial flow machines, the alignment must be adjusted
accordingly. Radially aligned the sheets would be necessary to be produced with nonconstant
thickness. That is why steel disks with SMC elements are used as rotors to
compensate for stray fields between the magnets in practice.
For axial flux machines, layered electrical sheet metal with constant thickness can still
be used. Instead of the steel disc, sheet metal wound on a hub can be used, onto which
the magnets are glued. However, this means that the wound rotor has to absorb the
entire load. Conventionally, one would calculate the entire assembly with an FEM. The
difficulty, however, is that the metal strip can be several hundred meters long and has
many contact points with itself. Therefore, it is very complex to model the problem with
FEM. In addition, this problem converges very slowly, and the evaluation takes a lot of
time.
To avoid solving the complete problem with the FEM, the problem itself is modified in
this work. Instead of the spirally wound electrical steel sheet, sheet metal rings are pulled
onto a hub. The mounting of a ring on a hub can be solved analytically and the behaviour
of such bandages is known and used in practice. The properties and the calculation are
published i.e. in DIN7990.
This approximation is justified in this thesis by the fact, that there is an asymmetry in
the load capacity with regard to the load direction. This is due to the spiral shape of the
sheet. The coefficient of friction is different in the ring modelling, but these errors can be
compensated by adapting the coefficient of friction and these errors are negligible small.
It is obvious that the modelled sheet metal rings may be regarded as infinitely thin due to
the low thickness of conventional electrical steel sheets compared to the other dimensions.
This allows more general statements to be made and the errors that occur are characterized
and the limits of applicability are determined.
In the next step, the load limits for different possible types of loading are determined and
the form in which the prestressing must be carried out in order to achieve simultaneous
failure in every layer. It is also shown that not only plasticizing is a failure criterion, but
that lifting of the individual layers from one another leads to a loss of prestress and thus
a failure.
In order to be able to predict where and in what way the rotor will fail, general diagrams
are developed for the wound rotor and drum. Limits to the possible number of layers are
also sought before plasticizing occurs during the winding itself.
The magnetic pockets can be produced either before winding by cutting out the pockets
in the sheet metal strip itself or after winding by milling out of the rotor. The former is
preferred for series production, while the latter is preferred for test bench verification of
prototypes. Due to the different production, however, there is a change in the preloading
and therefore a change in the load capacity of the rotor. These differences and effects are
examined.
How strong a rotor can be loaded depends, among other things, on the shape of the
magnet and the way the magnetic forces are transferred through the adhesive layer into
the rotor itself. To investigate this, an algorithm is presented that models the adhesive
layer as a FEM model. Deformations are applied in three characteristic directions and
the algorithm is used to convert the stresses into a force distribution curve that can be
used for numerical analysis. Additionally, curves for simple magnet shapes and a method
for determining the magnet shape based on the curve are presented.
The main parameter of the load capacity of the rotor is the pre-tensioning force during
winding. To check this during production, the ideal position of a deformation measurement
for hollow hubs is derived depending on the geometry. Changes in the stress curve
when using hollow hubs are also shown. Slotted hollow hubs can approximate hollow hubs
with axial screw connections.
This method is implemented as a Matlab script. This and the implementation details are
explained within the commented code.
The entire algorithm requires many material and geometry-dependent parameters. The
effect on the torque characteristic is examined using an example. An example how the
algorithm can be used to select a suitable electrical steel sheet is presented.

German abstract:
Die fortschreitende Elektrifizierung in der Fahrzeugtechnik und Industrie macht eine möglichst
gute Ausnutzung der verfügbaren Bauräume nötig. Aufgrund der hohen verbauten
Speicherkapazitäten bei gleichzeitiger niedriger Energiedichte wird versucht die Antriebe
in bisher ungenutzte und für Energiespeicher ungeeignete Bauräume unterzubringen.
Dafür können Axialflussmotoren aufgrund ihres scheibenförmigen Aufbaus geeignet sein.
Außerdem bieten diese gegenüber Radialflussmotoren bei gleichem Durchmesser eine höhere
Drehmomentdichte.
Für Radialflussmaschinen wird in Rotorachsrichtung geschichtetes Elektroblech zur Reduktion
von Streufeldern benutzt. Dabei sind die einzelnen Schichten parallel zur Magnetflussrichtung
ausgerichtet. Für herkömmliche Axialflussmaschinen muss die Ausrichtung
entsprechend angepasst werden. Radial ausgerichtete Schichtung würde zu Blechen mit
nicht konstanter Dicke führen. Deshalb werden Stahlscheiben mit SMC Elementen zur
Streufeldkompensation zwischen den Magneten als Rotoren benutzt.
Für Axialflussmaschinen lässt sich trotzdem geschichtetes Elektroblech mit konstanter Dicke
benutzen. Dazu kann statt der Stahlscheibe auf einer Nabe aufgewickeltes Blech benutzt
werden, auf das die Magnete anschließend aufgeklebt werden. Das heißt allerdings,
dass der gewickelte Rotor die gesamten Belastungen aufnehmen muss. Herkömmlicherweise
würde man die gesamte Baugruppe mit einer FEM berechnen. Die Schwierigkeit
besteht allerdings darin, dass der gewickelte Blechstreifen mehrere hundert Meter lang
sein kann, und mit sich selbst eine Vielzahl an Kontaktstellen aufweist, und somit sehr
aufwendig zu modellieren ist. Außerdem konvergiert dieses Problem nur sehr langsam und
die Auswertung bedeutet großen Zeitaufwand.
Um die Lösung des Gesamtproblems mit der FEM zu vermeiden wird in dieser Arbeit das
Problem modifiziert. Statt des spiralförmig aufgewickelten Elektroblechs zu betrachten,
werden stattdessen modelhaft Blechringe nacheinander auf eine Nabe aufgezogen. Das
Aufziehen eines Ringes auf eine Nabe lässt sich analytisch darstellen und wie sich so ein
Verband in der Praxis verhält ist bekannt. Z.B. in der DIN7990 sind die Eigenschaften und
die Berechnung davon veröffentlicht. Hier werden im Wesentlichen modellhaft eine Reihe
von Ringen nacheinander aufgezogen und die Eigenschaften dieses Verbandes abgeleitet.
Diese Näherung wird in dieser Arbeit dahingehend begründet, dass zwar durch die eigentliche
Spiralform eine Asymmetrie in der Belastbarkeit bezüglich der Belastungsrichtung
existiert und der Reibkoeffizient bei der Ringmodellierung anders ist, aber diese Fehler
lassen sich einerseits durch Anpassung des Reibkoeffizienten ausgleichen und andererseits
sind diese Fehler vernachlässigbar klein.
Es ist naheliegend die modellierten Blechringe, aufgrund der geringen Dicke üblicher Elektrobleche
gegenüber den anderen Abmessungen, als unendlich dünn anzusehen. Dadurch
können allgemeinere Aussagen getroffen werden und es werden die dabei auftretenden
Fehler charakterisiert und die Grenzen der Anwendbarkeit bestimmt.
Damit werden im nächsten Schritt die Belastungsgrenzen für unterschiedliche mögliche
Belastungsarten bestimmt, und in welcher Form die Vorspannung zu erfolgen hat, um
gleichzeitiges Versagen in jeder Schicht zu erreichen. Es wird außerdem gezeigt, dass nicht
nur Plastizieren ein Versagenskriterium ist, sondern dass Abheben der einzelnen Schichten
voneinander zum Verlust der Vorspannung und somit zum Versagen führt.
Um Vorhersagen zu können, wo und in welcher Art und Weise der Rotor versagt, werden
allgemeingültige Diagramme für den gewickelten Rotor und einer etwaigen Bandage
entwickelt. Es werden dabei auch Grenzen der möglichen Schichtanzahl gesucht, bevor es
schon beim Wickeln selbst zu Plastizieren kommt.
Die Herstellung der Magnettaschen kann entweder vor dem Aufwickeln durch Ausschneiden
der Taschen im Blechstreifen selbst oder nach dem Aufwickeln durch Ausfräsen aus
dem Rotor erfolgen. Ersteres wird für die Serienproduktion präferiert, während Zweiteres
zur Prüfstandsverifikation von Prototypen bevorzugt wird. Durch die unterschiedliche
Herstellung kommt es allerdings zu einer Veränderung des Vorspannungsverlaufs und
dementsprechend auch zu einer Veränderung der Belastbarkeit des Rotors. Diese Unterschiede
und Auswirkungen werden untersucht.
Wie stark ein Rotor belastbar ist, hängt unter anderem von der Magnetform und wie die
Magnetkräfte durch die Kleberschicht in den Rotor übertragen wird ab. Zur Untersuchung
davon wird ein Algorithmus vorgestellt, bei der die Klebeschicht FEM modelliert und die
Verformungen in drei charakteristischen Richtungen aufgebracht werden. Die Resultate
davon werden in eine Kraftverteilungskurve umgerechnet, die zur numerischen Analyse
benutzt werden kann. Dahingehend werden auch Kurven für einfache Magnetformen und
eine Methode zur Bestimmung der Magnetform ausgehend von der Kraftverteilungskurve
vorgestellt.
Der wesentliche Parameter, der die Belastbarkeit des Rotors beeinflusst, ist die Vorspannkraft
beim Wickeln. Um während der Produktion diese überprüfen zu können, wird die
ideale Position einer Deformationsmessung bei Hohlnaben abhängig von der Geometrie
hergeleitet. Außerdem werden Änderungen im Spannungsverlauf bei Verwendung von
Hohlnaben gezeigt. Geschlitzte Hohlnaben können Hohlnaben mit axialen Verschraubungen
annähern.
Diese Methodik ist als Matlab Programm implementiert und wird mit dem kommentierten
Code erklärt. Es wird an einem Beispiel untersucht, wie sich die verwendeten Parameter
auf die ertragbare Drehmomentkennlinie auswirken.

Keywords:
Axialflussmaschine, gewickelter Pressverband


Electronic version of the publication:
https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_299918.pdf


Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.