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Simulation Mit EM-Simulation schnell zu neuen Antriebskonzepten

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Nicht nur die immer schärferen gesetzlichen Vorgaben zur Energieeffizienz und die möglichen energetischen Einsparungen sprechen für das Überarbeiten bestehender Antriebskonzepte. Die Simulation verschiedener Varianten und Konzepte ermöglicht die gezielte Optimierung einzelner Parameter für die jeweilige Anwendung.

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Die Simulation verschiedener Varianten und Konzepte ermöglicht die gezielte Optimierung.
Die Simulation verschiedener Varianten und Konzepte ermöglicht die gezielte Optimierung.
(Bild: Ansys)

Konventionelle Motorlösungen in der elektrischen Antriebstechnik (EM= Electrical Machines) kämpfen selbst bei konstanten Lastanforderungen meist mit zwei grundlegenden Problemen: Erstens ist vielfach ihre Grundeffizienz zu gering, zweitens erreichen sie ihr Effizienzmaximum meist nur in einem relativ engen Drehzahlbereich, so dass zusätzlich Getriebe und/oder Regler erforderlich sind. Bei vielen Anwendungen liegen die größten Energiesparmöglichkeiten in einer spezifischen Anpassung des jeweiligen Arbeitspunktes an die aktuelle Lastsituation.

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Was sind die Herausforderungen?

Domänenüberschreitende Simulation mit elektrisch-magnetisch-mechanischen Parametern ist alles andere als trivial. Hier zählen langjährige Erfahrungen des Herstellers bei Entwicklung, Anwendung und sinnvoller Kombination leistungsfähiger Algorithmen und die Fähigkeit, diese auch in einer anwenderfreundlichen Benutzerschnittstelle („GUI“) abbilden zu können. Umfangreiche, praxisnahe und vor allem auch qualitativ hochwertige Bibliotheken sind notwendig, um den Entwickler bei seiner konkreten Aufgabenstellung zu unterstützen und nicht jedes Mal das Rad neu erfinden zu lassen. „Nachgeschaltete“ Optimierungswerkzeuge müssen es ermöglichen, einfach und schnell unterschiedliche Lösungen nach verschiedenen Gesichtspunkten optimieren und vergleichen zu können. Ansys als langjähriger Marktführer in der elektromechanischen Simulation bietet nicht nur eine Vielzahl an Simulationspaketen für praktisch alle Aufgabenstellungen an, sondern auch passende Schulungen und Vor-Ort-Unterstützung. In der speziellen Anwendung im Beispiel kommt hauptsächlich das Electrical Machines Design Toolkit zum Einsatz.

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Warum EM-Simulation?

In vielen modernen Anwendungen wie etwa Robotik ergeben sich komplexe dynamische Anforderungen, die mit konventioneller Technik kaum mehr lösbar sind. Hier ist es geradezu unvermeidlich, alle möglichen Betriebszustände vorab simulieren zu können - auch um fundierte Aussagen über die zu erwartende Lebensdauer und Zuverlässigkeit treffen zu können. Moderne Simulationswerkzeuge ermöglichen es, auf mehreren Ebenen bzw. in unterschiedlichen Domänen („Multiphysics“: elektrisch, magnetisch, mechanisch, etc.) simulieren zu können und dabei auch mögliche Lasten einzubeziehen und Aussagen über dynamisches Verhalten zu erhalten. So können schließlich komplette Systeme im „virtuellen“ Betrieb betrachtet und in ihrem Umfeld mit seinen Wechselwirkungen optimiert werden.

Einfacheres Arbeiten mit Templates

Das Beispiel zeigt den Ersatz eines Drehstrom-Asynchronmotors durch einen Brushless DC-Motor in einer typischen Antriebstechnik-Anwendung auf. Durch optimierte Auslegung des Motors auf den vorgegebenen Drehzahlbereich kann bei der neuen Lösung auf den Einsatz eines Getriebes verzichtet werden, wodurch zusätzlich Gewicht und Kosten gespart werden. Zur schnellen und einfachen Beschreibung von elektrischen Maschinen (einfach ausgedrückt: Motoren und Generatoren) enthält der Ansys Maxwell Simulator ein benutzerfreundliches Interface (RMxprt), mit dem zunächst der gewünschte Maschinentyp ausgewählt und parametrisiert wird. Hierzu werden zunächst die grundsätzlichen Leistungsdaten in Abhängigkeit von der Physik wie etwa Struktur (Polzahl) und Größe (Abmessungen) festgelegt. Verfügbar sind hierbei Templates für alle gängigen Synchron- und Asynchronmaschinen, egal ob ein- oder mehrphasig und ob mit Schleifkontakten oder auch in bürstenloser Ausführung (Bild 1).

Simulation in Simplorer

Nach vollständiger Parametrisierung mit Material- und Geometriedaten aus den Datenblättern wird aus dem gewählten Template ein analytisches Systemmodell erstellt. Dieses verfügt über Schnittstellen zum bekannten Simplorer-Simulator sowie zu den in Maxwell enthaltenen 2D- und 3D-FEM-Simulatoren und weiteren Simulationspaketen. Mit Simplorer können auf analytischer („behavioural“) Ebene vollständige Systeme beschrieben und so Effekte wie etwa beim Aufschalten einer Last oder die Auswirkung verschiedener Ansteuerungen simuliert werden. Bereits bestehende Lösungen können schnell und einfach abgebildet und Dimensionierungs- und Typenvarianten ausprobiert werden. Ebenso können sinnvolle Einsatz- und Arbeitsbereiche der Maschine evaluiert und verifiziert werden. Bei komplexeren Aufgabenstellungen wird ein Entwickler seine Lösung optimieren wollen oder müssen. Je nach erforderlicher Detaillierung können hier die Maxwell 2D- und 3D- Algorithmen zum Einsatz kommen, wobei bei den meisten Aufgabenstellungen bereits die Genauigkeit eines 2D-Ansatzes genügt. Höchst effiziente, optimierte Algorithmen, die moderne Verfahren wie Multiprozessing unterstützen, sorgen für kürzeste Simulationszeiten.

Flexible Optimierung

Mit den für Motoranwendungen vordefinierten Erweiterungen UDO (User Defined Output) und UDD (User Defined Documents) können die Simulationsergebnisse nicht nur in vielfältiger Form dargestellt, sondern auch für weiterführende Simulationsreihen zur Optimierung wieder als Input verwendet werden. Dabei sind nicht nur einfache Sensitivitätsanalysen und Parameteroptimierungen möglich, sondern es können auch komplexe Optimierungen mit mehreren, auch voneinander abhängigen Zielen (Multi-Objective-Optimierung) durchgeführt und dargestellt werden. Bild 2 zeigt das Effizienzdiagramm („Efficiency Map“) des geschilderten DC Brushless Motors in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment. Dunkleres Rot veranschaulicht dabei den Bereich der höchsten Effizienz. Der große tiefrote Bereich zeigt die erfolgreiche Optimierung: Auch ohne vorgeschaltetes Getriebe arbeitet der Motor in einem weiten Drehzahl- und Drehmomentband sehr effizient. Bild 3 zeigt das Auswahlmenü weiterer Berichte derselben Simulation. Im Bild werden die Abhängigkeiten von Eingangsstrom, Gesamtverlusten, Kernverlusten (Core Losses) und der Leistungsfaktor wie bei der Effizienzkarte jeweils in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment dargestellt. So können einzelne Parameter gezielt optimiert bzw. die Auswirkungen von Optimierungen auf diese Parameter gezielt betrachtet werden.

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