Integrierter Ansatz zur Topologie- und Formoptimierung von Permanentmagnetsynchronmaschinen

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Berechnung hochausgenutzter Rotorgeometrien mittels topologischer Optimierung sowie die automatisierte Rückführung der resultierenden Designs in fertigungsgerechte parametrisierte Geometriemodelle. Das Verfahren der Topologieoptimierung wird genutzt, um optimale Materialverteilungen von Magnet, Eisen und Luft bezüglich mathematisch definierter Optimierungsziele im Bauraum des Rotors iterativ und gradientenbasiert zu berechnen. Das Optimierungsproblem umfasst strukturmechanische sowie elektromagnetische Kriterien der permanenterregten Synchronmaschine. Die Topologieoptimierung ist das Strukturoptimierungsverfahren mit den größten Freiheitsgraden und ersetzt damit insbesondere Prozesse des Konzeptentwurfes, die bislang häufig erfahrungsbasiert oder auf Basis bestehender Konzepte durchgeführt werden. Um die berechneten Geometrien daraufhin für weitere Analysen und Planungen verwenden zu können, und damit eine lückenlose Integration in den Entwicklungsprozess zu gewährleisten, ist eine Rückführung der Ergebnisse in eine parametrisierte computergestützte Konstruktion notwendig. Die topologisch optimierten Designs können aufgrund der kontinuierlichen Beschaffenheit der Materialverteilungen das Design nur näherungsweise beschreiben. Die Umwandlung in ein diskretes Geometriemodell lässt daher nicht nur Interpretationsspielraum offen, sondern führt auch zu Abweichungen der berechneten Maschineneigenschaften von den Zielwerten. Zudem sind die entstehenden Strukturen oftmals komplex, unregelmäßig und erfüllen nur grundlegende Fertigungsrandbedingungen.
In dieser Arbeit wird ein durchgängiger Umwandlungs-, Bewertungs- und Optimierungsprozess entwickelt, welcher die topologisch optimierten Designs in ein fertigungsund anforderungsgerechtes parametrisches Geometriemodell überführt. Die Maschineneigenschaften werden im Verlauf der Geometrierückführung fortlaufend überwacht, sodass der Einfluss einzelner Bearbeitungsschritte nachvollziehbar ist und kurze Verbesserungsschleifen resultieren. Die Verwendung flexibler splinebasierter Kurven zur geometrischen Darstellung erlaubt eine einheitliche Beschreibung der Eisen- bzw. Luftkonturen, welche durch Freiformen dargestellt werden, sowie der Magneten, welche durch geometrische Grundformen, wie Rechteck- oder Segmentmagneten approximiert werden. Bei der Parametrisierung der Eisenkonturen werden weitere Fertigungsrestriktionen, wie Mindestradien und Mindeststegbreiten, berücksichtigt. Durch Methoden der Formoptimierung wird eine Feinanpassung des parametrisierten Geometriemodells vorgenommen. Schlussendlich kann eine fundierte Auswahl des geeigneten Designs unter Abwägung des Fertigungsaufwands erfolgen. Mithilfe des Optimierungswerkzeugs wird ein Rotordesign berechnet, welches die in dieser Arbeit gestellten Anforderungen an Fertigbarkeit und Funktionalität erfüllt und gleichzeitig eine um 20% reduzierte Magnetmasse aufweist.