Gemeinsame Simulationsplattform ermöglicht die für effiziente Auslegung von Antrieben

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wortmarke-isg-rgb-03 (ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH)

Untersuchung des Designraumes

Bild 1 zeigt die typische grafische Oberfläche zur Definition des virtuellen Prototyps und zur Auswertung der Ergebnisse. In Bild 1a wird ein repräsentativer Ausschnitt der elektrischen Maschine grafisch dargestellt. Hierbei handelt es sich um einen magnetischen Pol einer permanent erregten Synchronmaschine mit eingegrabenen Magneten. Dieser Maschinentyp, zusammen mit einem geeigneten Wechselrichter, hat sich in vielen Fällen bei drehzahlvariablen Antrieben etabliert. Hier wird das geometrische Design festgelegt und gegebenenfalls mit Parameter versehen, um den zur Verfügung stehenden Designraum zu untersuchen. Anschließend werden die einzelnen geometrischen Bereiche mit den entsprechenden Materialeigenschaften verknüpft, zum Beispiel mit der Demagnetisierungskennlinie der Permanentmagnete (Bild 1b).

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Nach der Definition des Wickelschemas, der Art der Bestromung und der Drehzahl können die zu untersuchenden Eigenschaften bei verschiedenen Arbeitspunkten simuliert werden. Das Bild 1c zeigt beispielsweise das mittlere Drehmoment bei verschiedenen Stromamplituden. Dabei wird zusätzlich der Kommutierungswinkel γ variiert, der die räumliche Lage der Permanentmagnete zu den Strömen an den Statorspulen bestimmt. Eine Darstellung des Drehmomentverlaufs im Zeitbereich (Bild 1d) informiert zusätzlich über die Welligkeit.

Erzeugung von kompletten Kennfeldern

Da sich Ansys Maxwell auch durch ein Python-Skript ansteuern lässt, können Arbeitspunkte (wie Drehzahl, Anfangswinkel und Bestromung) automatisiert definiert werden, um mehrere Arbeitspunkte in einem Berechnungslauf zu untersuchen. Ansys stellt mit dem Electric Machine Design Toolkit exemplarische Skripte für die automatisierte Einstellung der Arbeitspunkte zur Verfügung. Somit können, unter Annahme von maximalen Spannungs- beziehungsweise Stromwerten der Versorgung, die Kennlinien oder Kennfelder abgeleitet werden.

Bild 2 zeigt abgeleitete Kennfelder für den Wirkungsgrad (a) und den Kommutierungswinkel (b) bei einer MTPA-Strategie (Maximum Torque per Ampere). Letzteres kann beispielsweise dazu genutzt werden, um eine Look-up-Table für einen Mikrokontroller zu erstellen, damit der Motor arbeitspunktgerecht bestromt wird.

Soll das genaue dynamische Verhalten eines Antriebs prognostiziert werden, sind Signale, Schaltungen und die anliegende Last möglichst realitätsgetreu zu beschreiben. Hierfür kann der Entwickler den System- und Schaltungssimulator Ansys Simplorer verwenden. Damit lässt sich ein Motormodell wahlweise mit einer Look-up-Table oder durch eine Co-Simulations-Schnittstelle integrieren. Dadurch kann das dynamische Verhalten des Motors mit einer realistischen Darstellung der Leistungselektronik untersucht werden. Hierfür stehen unter anderem parametrisierte leistungselektronische Bauelemente, Blockdiagramme und Zustandsautomaten zur Verfügung.

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