Multikriterielle Form- und Topologieoptimierung von permanenterregten Synchronmaschinen über Fahrzyklen

Diese Arbeit behandelt die Implementierung und den Vergleich geeigneter Verfahren zur Form- und Topologieoptimierung von Rotoren permanenterregter Synchronmaschinen. Dazu wird zunächst der aktuelle Stand der Wissenschaft auf diesem Gebiet vorgestellt und ein Überblick über die häufig verwendeten Verfahren gegeben. Es werden die Formoptimierung mit parametrisierten Kurven, Methode der normalisierten Gauß-Netzwerke (NGnet), binäre Methode und bidirektionale evolutionäre Strukturoptimierung (BESO) implementiert, um diese für die Drehmomentmaximierung gegenüberzustellen. Hierbei zeigt sich die starke Abhängigkeit der gradientenfreien Verfahren von der Variablenanzahl sowie diverse Einschränkungen der einzelnen Methoden. So ist die Geometrievielfalt der Formoptimierung und des NGnet-Verfahrens stärker begrenzt als die der binären Methode. Im nächsten Schritt wird ein automatisierter Optimierungsprozess unter Berücksichtigung der Fertigung, Festigkeit und des Wirkungsgrads über einen gesamten Fahrzyklus umgesetzt. Dazu werden Verfahren zur Geometriefilterung und Glättung der Lufttaschen angewendet. Weiterhin wird das mechanische Kontaktproblem auf eine vereinfachte lineare Berechnung abgebildet. Aufgrund der großen Anzahl an Arbeitspunkten durch den Fahrzyklus wird eine Methode eingesetzt, um sie auf fünf repräsentative Betriebspunkte zu senken. Für eine Referenzmaschine wird der Rotor mit den unterschiedlichen Verfahren optimiert. Zuerst mit einer festen Magnetgeometrie und anschließend mit einer überlagerten Parameteroptimierung der vergrabenen Magnete. Für Letztere wird eine Methode zur Netzdeformation implementiert. Das Ziel ist die Maximierung des Wirkungsgrads und Minimierung des Magnetvolumens. Gleichzeitig müssen als Nebenbedingungen alle Arbeitspunkte erreicht und die Festigkeit gewährleistet werden. Die Formoptimierung führt zu einer Reduzierung der Magnetmasse um \SI{10}{\%} bei Erhaltung des Wirkungsgrads über den Fahrzyklus. Dies stellt im Vergleich zur Referenzmaschine das beste Ergebnis dar. Zur Validierung der Simulationen werden zwei Rotoren gefertigt und in den Stator der Referenzmaschine eingebaut. Für beide Rotoren werden die Polradspannungen, Drehmomente und Wirkungsgrade messtechnisch bestimmt. Unter Berücksichtigung der Messtoleranzen ergeben sich gute Übereinstimmungen zwischen Messung und Simulation.