Entwurfsmorphologie und Charakterisierung von elektrischen Hochdrehzahlmaschinen

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Hochdrehzahlmaschinen steigern die Leistungsdichte durch kompakte Abmessungen bei gleicher Leistung. Allerdings begrenzen mechanische Spannungen im Rotor die erreichbare Drehzahl und damit die Leistungsdichte. Diese Arbeit zielt darauf ab, die mechanischen Randbedingungen für den Entwurf schnell drehender Rotoren in einer Morphologie zusammenzufassen, um die Grenzen der Maschinentopologie im Hochdrehzahlbetrieb analytisch zu bestimmen. Eine Methodik zur Analyse der maximalen mechanischen Spannung in verschiedenen Rotortopologien wird vorgestellt. Der Einfluss von Pressverbindungen auf die Rotorfestigkeit wird untersucht, insbesondere die Wechselwirkung zwischen Fliehkraftbelastung und Materialbeanspruchung. Mechanische und elektromagnetische Modelle werden zu einer domänenübergreifenden Entwurfsmorphologie kombiniert. Diese Morphologie ermöglicht die Ableitung einer maximal umsetzbaren Drehzahl je nach Rotortopologie, ab der elektromagnetische Komponenten nicht mehr im Rotor platziert werden können. Den Rotortopologien wird ein Bereich umsetzbarer Umfangsgeschwindigkeiten und Drehzahlen zugeordnet. Die entwickelten mechanischen Modelle werden durch Prüfstandsversuche verifiziert, wobei die radiale Aufweitung verschiedener Rotorquerschnitte unter Drehzahl mit Lasersensoren gemessen wird. Die gemessene Rotoraufweitung lässt sich durch die vorgestellten Material- und Kontaktmodelle simulativ abbilden.