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Simulation Ein gemeinsamer Workflow sorgt für mehr Leistung

| Autor / Redakteur: Benjamin Oberle und Deborah Eppel / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Durch die Verknüpfung von Speed, dem Konstruktionswerkzeug für Elektromaschinen, und Star-CCM+, dem Modellier-Allrounder, wird der Designprozess elektrischer Maschinen erheblich beschleunigt, da Temperaturdaten in einer frühen Prozessphase leicht verfügbar sind.

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(Bild: CD-Adapco)

Angesichts permanent steigender Materialkosten ist es unverzichtbar geworden, die Nutzung elektrischer Maschinen durch die Maximierung des Drehmoments während der Material-Lebensdauer zu optimieren. Da das Drehmoment meist durch die an den Wicklungen zulässige Höchsttemperatur begrenzt ist, ist es unerlässlich, das Temperaturprofil der Maschine präzise und so früh wie möglich im Designprozess vorherzusagen.

CD-Adapco hat dafür eine Lösung: Die Programmsuite für elektrische Maschinen Speed bietet ein magnetisches 2D-Design; dabei kommen sowohl analytische Gleichungen als auch Finite-Element-Methode für Elektromotoren, Generatoren und andere magnetische Aktuatoren zum Einsatz. Das Tool kombiniert auch elektronische Antriebsmodelle mit der magnetischen Maschinenkonstruktion. Star-CCM+ nutzt die Speed-Simulationsergebnisse, wandelt das 2D-Modell in ein 3D-Modell um und moduliert die thermische Leistung der Maschine unter den verschiedensten Umweltbedingungen.

Thermische Simulation

Für das Temperaturpfrofil der elektrischen Maschinen müssen mehrere spezifische Anforderungen und Randbedingungen berücksichtigt werden, etwa die maximale Größe der Maschine und das erforderliche Drehmoment. Mithilfe von Speed, einer auf den Maxwell-Gleichungen basierenden Analysesoftware für das Design elektrischer Maschinen, lassen sich innerhalb weniger Minuten fast alle Hauptklassen elektrischer Maschinen und Antriebe charakterisieren. Da die Verluste – Kupfer, Eisen und Mechanik (Lager) – temperaturabhängig sind, müssen die Temperaturen in den aktiven magnetischen Maschinenkomponenten vorhergesagt werden. Durch die Kopplung von Star-CCM+ und Speed können sowohl Strömungs-/Wärme-Aspekte als auch elektromagnetische Aspekte im selben Arbeitsumfeld angegangen werden, was einen besseren, optimierten Designprozess zur Folge hat.

Speed liefert die Kupfer- und Eisenverluste in Form einer Verlustverteilung. Neben den elektromagnetischen Verlusten liefert die Software außerdem die aktiven magnetischen Bereiche von Rotor, Stator und Wicklungen. Um präzise Vorhersagen über die thermische Kühlung zu erhalten, müssen die Geometrien von Gehäuse, Lagern, usw. berücksichtigt werden. Diese in dieser Designphase noch nicht bekannten zusätzlichen Geometrien werden mithilfe des integrierten CAD-Modellierers in Star-CCM+ erstellt.

Ziel dieser Arbeit war es, basierend auf den Ausgabegeometrien von Speed ein parametrisiertes Simulationsmodell zu erstellen, das die wichtigsten fehlenden geometrischen Elemente enthält, etwa Gehäuse, Lüfter, Lager usw. Aufgrund der zylindrischen Symmetrie der elektrischen Maschine muss nur ein „Abschnitt“ der Maschine simuliert werden, was zu einem schnelleren, weniger rechenintensiver Prozess führt. Die Herausforderung der parametrisierten Geometrien liegt darin, so viele Parameter wie notwendig und so wenige wie möglich zu verwenden, ohne dabei wichtige Funktionen außer Acht zu lassen. Die Dimensionen des Gehäuses und der Rotationselemente für die Kühlung müssen sorgfältig gewählt werden, da sie einen großen Einfluss auf die Motorkühlung haben. Nach der Fertigstellung aller Geometrien ist das Setup für die thermische Simulation abgeschlossen.

Eine Verlustdatei von Speed kann in Star-CCM+ importiert werden, wo Verluste der 2D-Ebene auf das entsprechende 3D-Volumen abgebildet werden. Für das Mapping sind mehrere Interpolationsmodi verfügbar. Eine Studie hat gezeigt, dass die unterschiedlichen Modi keinen großen Einfluss auf die Lösung haben und daher alle zum selben Ergebnis führen. Für die Simulation selbst müssen verschiedene Parameter vorgegeben werden. Die wichtigsten, die auch den größten Einfluss auf die Lösung haben, sind Materialparameter wie Wärmeleitfähigkeit und Kontaktwiderstände zwischen den Komponenten. Damit die Ergebnisse zuverlässig sind, müssen diese Parameter sehr sorgfältig gewählt werden.

Kopplung der beiden Programme

Für das Kopplungsprinzip der beiden Programme Speed und Star-CMM+ gilt: Die Lösung basiert auf einem iterativen Prozess. Im ersten Durchlauf wird das elektromagnetische Design betrachtet. Temperaturen werden geschätzt und die entsprechenden Verluste in Speed berechnet. Danach werden mit Star-CCM+ die Temperaturen berechnet, die aufgrund der Verluste auftreten. Im Anschluss wird das elektromagnetische Design mithilfe der in Star-CCM+ kalkulierten Temperaturen erneut betrachtet. Dieser iterative Prozess wird gestoppt, wenn die Differenz zwischen einer Iteration und der nächsten innerhalb eines voreingestellten Bereichs liegt.

Ein weiteres Ziel ist es, die erforderlichen Arbeitsstunden für eine Simulation zu verringern. Star-CCM+ ist sehr gut geeignet, Simulationen mit Hilfe von aufgezeichneten JAVA-Makros zu automatisieren. Dabei geht es darum, ein komplettes Simulations-Setup aufzuzeichnen und das resultierende Makro so anzupassen, dass andere Geometrien und Verlustdaten verarbeitet werden können. Daher ist es unerlässlich, einen Ausgangszustand festzulegen, der für alle Simulationen geeignet ist.

Mithilfe von If-loops, For-loops, Collections und anderen Programmstrukturen wird das Makro von geometrischen oder anderen Veränderungenunabhängig gemacht. Damit das Setup flexibel bleibt, kann man einen Parameter für jeden Wert generieren, den man in künftigen Simulationen anpassen möchte. Eine mögliche Lösung besteht darin, eine Parameterliste in Form einer Excel-csv-Datei zu erstellen, worauf die Simulation zugreifen kann. Mit dieser Methode können alle Parameter extern festgelegt und sortiert werden.

Die thermischen Resultate des Simulationsprozesses liegen nach etwa anderthalb Arbeitsstunden vor. Die Rechenzeit in Star-CCM+ hängt von den Maschinenspezifikationen und der Netzgröße ab.

Vergleich von Messwerten und Simulation

Eine Fallstudie der Sensitivität der Parameter und ein Vergleich der Simulations- und Versuchsergebnisse lassen die im folgenden dargestellten Beobachtungen zu:

  • 1. Eine korrekte Verlustberechnung durch Speed ist eine Voraussetzung für eine zuverlässige thermische Lösung.
  • 2. Die Geometrien des Gehäuses und der Kühlungselemente haben aufgrund des Wärmeflusses in die Umgebung großen Einfluss auf das Temperaturprofil.
  • 3. Die Wärmeleitfähigkeiten der Materialien müssen genauestens bekannt sein, da sie den Wärmefluss durch die Komponenten in die Umgebung beeinflussen.
  • 4. Die Kontaktwiderstände zwischen den verschiedenen Komponenten stellen einen Unsicherheitsfaktor dar und müssen sehr präzise festgelegt werden, da sie den Wärmeweg durch die Komponenten in die Umgebung beeinflussen.

Bei Befolgung dieser Richtlinien ist ein simuliertes Temperaturprofil erreichbar, das mit einer Genauigkeit von +/- 3 Kelvin mit den Versuchsdaten übereinstimmt. Vor dem Hintergrund, dass die Simulationen in einer sehr frühen Phase des Designprozesses durchgeführt werden, sind die Lösungen sehr hilfreich für die Entwicklung elektrischer Maschinen.

Ausblick: Gesteuerter Datenaustausch

Ein weiterer Schritt könnte sein, ein übergeordnetes Programm zu entwickeln, das den Datenaustausch zwischen Speed und Star-CCM+ steuert. Die Anzahl der erforderlichen Arbeitsstunden könnte so noch weiter gesenkt werden. Zudem könnte ein Baukastensystem entwickelt werden, das basierend auf der Speed-Ausgabe Kühlgeometrien bereitstellt. Bei dieser Methode müssten keine anderen parametrisierten Modelle erstellt werden, und die Geometrie des Gehäuses und anderer Komponenten wäre schließlich noch flexibler wählbar. (mz)

* Benjamin Oberle ist Bachelorand, Praktikant bei EBM-Papst Mulfingen GmbH & Co. KG,

* Deborah Eppel ist Technical Marketing Engineer bei CD-Adapco

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