Model-based assembly optimization for the automation of electric drive production with minimum unbalance
Final Report Abstract
Im Vorhaben „Modellbasierte Montageoptimierung zur unwuchtminimalen Produktionsautomatisierung von E-Motoren (Optima)“ konnte im ersten Arbeitspaket ein analytisches Rotormodell aufgebaut werden, welches die Unwucht eines Permanentmagnetrotors auf Basis erwarteter Fertigungs- und Montageabweichungen vorhersagt. Als Referenzgeometrie wurde ein Permanentmagnetrotor verwendet, der am Elektrotechnischen Institut (ETI) des KIT entwickelt wurde und als Traktionsantrieb in elektrischen Fahrzeugen eingesetzt wird. Die für diesen Rotor definierte Wuchtgüte G 2,5 erlaubt eine zulässige Unwucht von 2,25 gmm pro Lagerebene bzw. eine Massenexzentrizität von 1,4 µm. Durch die Vermessung der Rotorkomponenten Rotorwelle, Blechpakete, Magnete und Wuchtscheiben konnte im zweiten Arbeitspaket eine Bewertung ihrer Unwuchtbeiträge durchgeführt werden. Für die Vorhersage der Rotorunwucht wurden bei der Rotorwelle die dynamische Unwucht und der Rundlauffehler ausgewählt. Letzterer erzeugt über die Gesamtmasse der Blechpakete und Magnete einen Unwuchtbeitrag, der im schlechtesten Fall in ähnlicher Winkellage wie die Unwucht der Rotorwelle liegt. Aufgrund auftretender zufälliger Mess- und Montageabweichungen ist eine starke Beeinflussung der bei der unwuchtminimalen Montage erreichbaren Wuchtgüte zu erwarten. Für die Kompensation der Unwuchtbeiträge der Rotorwelle war eine gezielte Maximierung der statischen Unwuchten der Blechpakete notwendig. Diese wurde durch die Entwicklung und Implementierung von Optimierungsalgorithmen ermöglicht. Aufgrund der Nähe zu industriell eingesetzten Montageprozessen wurde eine Aufteilung der Rotormontage in Magnetmontage und Aufpressen der Blechpakete vorgenommen. Aufgrund erreichbarer Rechenzeiten von <30s für die optimierte Magnetmontage und <10s für das optimierte Aufpressen sowie der Robustheit gegenüber veränderlichen Eingangsparametern wurde ein Evolutionärer Algorithmus für die experimentelle Validierung ausgewählt. Bei der Validierung der Magnetmontage konnte durch optimierte Anordnung der 48 Magnete pro Blechpaket die statische Unwucht gezielt um bis zu 10 gmm gesteigert werden. Dies entspricht in den meisten Fällen einer Verdoppelung der Unwucht der Blechpakete. Die gemessenen Unwuchten lagen zudem innerhalb der Unsicherheit der vorhergesagten Unwucht. Somit konnte sowohl das Modell der Magnetmontage validiert als auch das Potential der optimierten Magnetmontage nachgewiesen werden. Eine gezielte Beeinflussung der Rotorunwucht in Richtung der zulässigen Wuchtgüte war ebenfalls möglich. Allerdings ist die Genauigkeit bei der Vorhersage der Höhe des Unwuchtbeitrags, der durch die optimierte Anordnung erzeugt wird, nicht ausreichend, um ein Überschreiten der Wuchtgüte zu vermeiden. Eine Reduzierung auftretender Mess- und Montageabweichungen durch die Weiterentwicklung bestehender Mess- und Montageprozesse würde die Genauigkeit bei der Vorhersage der Massenexzentrizität des Rotors voraussichtlich steigern. Diese liegt zum Abschluss des Projekts bei ≤10 µm (Konfidenzintervall von 95%).
Publications
- „Model-Based Assembly Optimization for Unbalance-Minimized Production Automation of Electric Motors“ in Advances in Production Research, 2019, S. 551–562
W. Wößner, M. Peter, J. Hofmann und J. Fleischer
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-030-03451-1_54) - „Sensitivity analysis and validation of the intelligent assembly process for permanent magnet rotors with the balancing grade G 2.5“ in 2019 9th International Electric Drives Production Conference (EDPC), Esslingen, Germany, 2019
W. Wößner, E. Uhl, J. Hofmann und J. Fleischer
(See online at https://doi.org/10.1109/edpc48408.2019.9011834)
