Vergleich der Hauptmethoden zur Berechnung der magnetischen Kraft für die Bewertung von Geräuschen und Vibrationen in Elektromaschinen

Dieses Papier präsentiert einen Vergleich mehrerer Methoden zur Berechnung der magnetischen Kräfte, die von den Statorzähnen elektrischer Maschinen erfahren werden. Insbesondere konzentriert sich der Vergleich auf die auf dem Prinzip der virtuellen Arbeit (VWP) basierenden Knotenkraft und den Maxwell-Tensor (MT), der auf verschiedenen Oberflächen angewendet wird. Die VWP wird als Referenz gesetzt. Das Magnetfeld wird entweder mit der Finite-Elemente-Analyse oder mit der semi-analytischen Subdomänen-Methode (SDM) berechnet. Zuerst wird die magnetische Sättigung in Eisenkernen vernachlässigt (lineare B-H-Kurve). Danach wird der Sättigungseffekt in einem zweiten Teil diskutiert. Homogene Medien werden betrachtet und alle Simulationen werden in 2-D durchgeführt. Der Zusammenhang zwischen dem magnetischen Fluss des Schlitzes und den tangentialen Kraft-Harmonischen wird ebenfalls hervorgehoben. Der Vergleich wird am Stator einer oberflächenmontierten Permanentmagnet-Synchronmaschine durchgeführt. Während die verschiedenen Methoden hinsichtlich der lokalen Verteilung der magnetischen Kräfte an der Statoroberfläche nicht übereinstimmen, liefern sie ähnliche Ergebnisse bezüglich der integrierten Kräfte pro Zahn, die als gebündelte Kräfte bezeichnet werden. Diese Schlussfolgerung wird für gesättigte Fälle relativiert: Die Zeit-Harmonischen werden mit einer der präsentierten Methoden zur gebündelten Kraft korrekt berechnet, jedoch ist die Amplitude jeder Harmonischen zwischen den Methoden unterschiedlich. Dennoch bleibt die Verwendung der SDM in der Luftspalt mit MT, selbst bei Sättigung, genau für das Design und die Diagnose von elektromagnetischen Geräuschen in Elektromaschinen. Für genauere Studien basierend auf dem lokalen magnetischen Druck wird die VWP jedoch dringend empfohlen.