Simulation Gemeinsame Simulationsplattform ermöglicht die für effiziente Auslegung von Antrieben

Autor / Redakteur: Daniel Bachinski Pinhal / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Für eine leistungsfähige Antriebslösung müssen alle Komponenten wie elektrische Maschine, Leistungselektronik, Steuerungs- bzw. Regelalgorithmus und mechanischer Übertragungsstrang aufeinander abgestimmt sein. Dafür sind virtuelle Prototypen notwendig, mit denen das Verhalten des Gesamtsystems simuliert werden kann.

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(Bild: Cadfem)

Heute sind Elektromotoren als elektromechanische Energiewandler in den verschiedensten Anwendungsbereichen weit verbreitet. Durch eine Art „natürliche Selektion“ haben sich für die verschiedenen Anforderungsprofile unterschiedliche Maschinentypen, Steuerungs- bzw. Regelungskonzepte und Designrichtlinien herauskristallisiert. Trotzdem müssen die einzelnen Komponenten aufeinander abgestimmt werden.

Dieses wird jedoch dadurch erschwert, dass die Auslegung und Optimierung der einzelnen Komponenten wie elektrische Maschine, Leistungselektronik, Steuerungs- beziehungsweise Regelalgorithmus und mechanischer Übertragungsstrang, getrennt durchgeführt wird. In der Regel werden diese Auslegungen von verschiedenen Abteilungen durchgeführt, da ein anderes technisches Basiswissen und praktisches Know-how notwendig ist. Sinnvoller wäre es jedoch, wenn die Experten aus den verschiedenen Abteilungen möglichst früh in der Produktentwicklungsphase eine gemeinsame Plattform zur Verfügung hätten, um von Anfang an die Funktionen der Baugruppen und das Zusammenspiel der Komponenten zu überprüfen und über erforderliche Änderungen gemeinsam zu diskutieren und entscheiden.

Berechnung der magnetischen Felder

Die gemeinsame Grundlage aller Elektromotorentypen besteht in der magnetischen Wechselwirkung einer festen und einer beweglichen, meist drehbar gelagerten, Komponente. Üblicherweise spricht man dabei von Stator und Rotor eines Elektromotors. Die Kraftwirkung, die den Rotor zum drehen bringt, lässt sich aus den magnetischen Feldern ableiten, die ihn umgeben. Somit erlaubt eine Berechnung der magnetischen Felder, die im Elektromotor auftreten eine Analyse der angreifende Kräfte und Drehmomente. Die unterschiedlichen Motortypen unterscheiden sich dadurch, wie Spulenanordnungen und deren Bestromung, massive oder kurzgeschlossene Leiter, Permanentmagnete und das Design des Eisenkreises zur Führung magnetischer Felder kombiniert werden, um ein bestimmtes Magnetfeldmuster zu erhalten.

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Neben der gewünschten, kraftbildenden Wirkung, haben die magnetischen Felder auch Nebenwirkungen, zum Beispiel ohmsche Verlustleistung an den Spulen, die zu Erwärmungen führen, oder die Ausbildung von Streufeldern, die andere Geräte negativ beeinflussen können. Sowohl erwünschte als auch unerwünschte Effekte des Magnetfeldes können mit ausreichender Genauigkeit durch bekannte Gesetzmäßigkeiten (Maxwell Gleichungen) beschrieben werden. Da deren analytische Lösung für die meisten realen Anordnungen nicht möglich ist oder sich als sehr aufwendig erweist, wird üblicherweise auf numerische Lösungsverfahren zurückgegriffen.

Stetig wachsende Anforderungen an elektrische Antriebe erfordern eine immer genauere Prognose der magnetischen Felder und deren Wirkungen. Dazu ist eine möglichst detaillierte Beschreibung der Anordnung unabdingbar. Dies beinhaltet beispielsweise das Verhalten ferromagnetischer Stoffe und die korrekte Charakteristik der injizierten Ströme beziehungsweise die Beschreibung der Steuerung, mit der die Stromzuführung erfolgt. Demgegenüber steht der Wunsch, die Entwicklungszyklen für Antriebslösungen zu reduzieren und ein kostenoptimiertes Endprodukt auf dem Markt zu bringen.

Weniger physikalische Prototypen notwendig

Kommerzielle Softwareprodukte zur Simulation von Schaltungen und Feldern bieten dem Entwickler die Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit der einzelnen Lösungsvarianten sehr früh im Entwicklungsprozess zu prognostizieren. Dabei kann die Anzahl der physikalischen Prototypen, die zur Überprüfung des Konzeptes notwendig sind, extrem reduziert werden oder sogar ganz auf sie verzichtet werden.

Die Simulationssoftware Ansys zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass sie Lösungen zur Untersuchung von Fragestellungen aus den verschiedensten Bereichen (wie Elektromagnetik, Strukturmechanik, Thermik und elektronische Schaltungen) bietet. Bei der Entwicklung elektrischer Maschinen kommen der Simulation elektromagnetischer Felder und der Schaltungssimulation eine besondere Bedeutung zu. Das Softwarepaket Ansys Maxwell erlaubt es dem Motorentwickler, den Einfluss von Material, Blechschnitt und Wickelschema unter anderem auf die Leistung des Motors bei verschiedenen Arbeitspunkten systematisch zu untersuchen. Dabei sind die wichtigsten Leistungsparameter konkurrierend. Das bedeutet, dass die Verbesserung einer Eigenschaft oft zur Verschlechterung einer anderen führt. Folglich gilt es einen Kompromiss zu finden, beispielsweise bei den konkurrierenden Zielen der volumenbezogenen Leistung und der Drehmomentwelligkeit.

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