Selektive Magnetmontage zur Verringerung des Rastmomentes permanenterregter Synchronmotoren

Selective magnet assembly for the reduction of the cogging torque of permanent magnet synchronous motors

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-200525
  • Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über die Fertigung von permanenterregten Rotorbaugruppen und Fehlermöglichkeiten dieser Prozesskette. Dazu werden Möglichkeiten zur Fehlererkennung beschrieben und die Kompensation dieser Fehler durch selektive Magnetmontage beleuchtet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Reduktion des Rastmomentes unter Verwendung kostengünstiger Magnete. Das Rastmoment ist neben der Regelbarkeit von Servoantrieben insbesondere für die von einer elektrischen Maschine verursachten Schwingungen verantwortlich. Abhängigkeiten bestehen einerseits von der Motorkonfiguration und andererseits von der Winkelabweichung des magnetischen Momentenvektors derDie vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über die Fertigung von permanenterregten Rotorbaugruppen und Fehlermöglichkeiten dieser Prozesskette. Dazu werden Möglichkeiten zur Fehlererkennung beschrieben und die Kompensation dieser Fehler durch selektive Magnetmontage beleuchtet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Reduktion des Rastmomentes unter Verwendung kostengünstiger Magnete. Das Rastmoment ist neben der Regelbarkeit von Servoantrieben insbesondere für die von einer elektrischen Maschine verursachten Schwingungen verantwortlich. Abhängigkeiten bestehen einerseits von der Motorkonfiguration und andererseits von der Winkelabweichung des magnetischen Momentenvektors der Einzelmagnete. Dies wird ebenso durch die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen bestätigt. Durch die selektive Magnetmontage ist die Hebung eines enormen Kosteneinsparungspotentials durch Verwendung von günstigeren Magneten bei minimiertem Rastmoment möglich. Dies wird durch die Kompensation der Winkelabweichungen der Einzelmagnete untereinander erreicht. Dazu wird durch Berechnungsalgorithmen ein kompensierter Magnetsatz gebildet. Die Implementierung in eine Produktionsumgebung wird mit Hilfe eines Lagersystems dargestellt, das vollautomatisch Magnete vermessen, sortieren, speichern und als kompensierten Magnetsatz bereitstellen kann. Anhand eines Beispielszenarios, in dem ein Motorenbaukasten mit verschiedenen Varianten und einer mittleren jährlichen Gesamtstückzahl mit Hilfe der selektiven Magnetmontage gefertigt werden soll, wird das Einsparungspotential durch günstigere Magnete aufgezeigt. Die Materialkosten für hochwertige Magnete haben im Beispiel einen Anteil von 25 % an den gesamten Herstellkosten für einen Motor. Demgegenüber stehen 70 % günstigere Materialkosten für die Magnete und Mehrkosten von 1,5 % für ein vollautomatisches Lagersystem, womit die Rentabilität der Strategie nachgewiesen wird.show moreshow less
  • This contribution gives an overview of the production of permanently excited rotor assemblies and possible faults in this process chain. In addition, possibilities for error detection are described and the compensation of these imperfections by selective magnet assembly is illuminated. The focus of the work is on the reduction of the cogging torque using low-cost magnets. In addition to the controllability of servo drives, the cogging torque is particularly responsible for the vibrations caused by an electrical machine. There are dependencies on the one hand on the motor configuration and on the other hand on the angular deviation of the magnetic moment vector of the individual magnets.This contribution gives an overview of the production of permanently excited rotor assemblies and possible faults in this process chain. In addition, possibilities for error detection are described and the compensation of these imperfections by selective magnet assembly is illuminated. The focus of the work is on the reduction of the cogging torque using low-cost magnets. In addition to the controllability of servo drives, the cogging torque is particularly responsible for the vibrations caused by an electrical machine. There are dependencies on the one hand on the motor configuration and on the other hand on the angular deviation of the magnetic moment vector of the individual magnets. Especially in permanently excited synchronous machines with ironless Halbach rotors, field distortions cannot be compensated by the rotor iron, as is the case with embedded magnets, for example. This is also confirmed by the measurements carried out within the scope of this work. The selective magnet assembly makes it possible to raise an enormous cost saving potential by using cheaper magnets with minimised cogging torque. This is achieved by compensating for the angular deviations of the individual magnets from each other. For this purpose, a compensated set of magnets is formed by calculation algorithms. The implementation in a production environment is illustrated with the help of a storage system that can fully automatically measure, sort, store and provide magnets as a compensated magnet set. A concept demonstrator of such a storage system is presented, the cycle times are determined and optimisation potentials are identified. Based on an example scenario in which a modular motor design with different variants and a medium annual total number of units is to be manufactured with the help of selective magnet assembly, the savings potential through cheaper magnets is demonstrated. In the example, the material costs for high-quality magnets account for 25 % of the total manufacturing costs for a motor. In contrast, the material costs for the magnets are 70 % lower and the additional costs for a fully automatic storage system are 1.5 %, thus demonstrating the profitability of the strategy.show moreshow less

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Metadaten
Author:Alexander MeyerORCiD
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-200525
Persistent identifiers - DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-556-8
ISBN:978-3-96147-556-8
Series (Volume number):FAU Studien aus dem Maschinenbau (399)
Publisher:FAU University Press
Place:Erlangen
Editor:Jörg Franke, Nico Hanenkamp, Tino Hausotte, Marion Merklein, Michael Schmidt, Sandro Wartzack
Referee:Jörg Franke, Jürgen Fleischer
Advisor:Jörg Franke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2022
Date of online publication (Embargo Date):2022/08/22
Publishing Institution:FAU University Press
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2021/12/20
Release Date:2022/08/23
Tag:Elektromaschinenbau; Halbach-Rotoren; Magnetmontage; Permanentmagnete; permanenterregte Synchronmotoren; selektive Montage
SWD-Keyword:Elektromotor; elektrische Maschine; Motor; Montage; Dauermagnet; Ingenieurwissenschaften; Maschinenbau; Produktionstechnik
Length/size:xv, 164 Seiten
Notes:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-555-1
Original publication:mb.fau.de/diss
Institutes:Technische Fakultät / Department Maschinenbau
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 670 Industrielle Fertigung
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC - Namensnennung - Nicht kommerziell 4.0 International
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