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SPS 2019

Mit Simulation zum optimalen elektrischen Antrieb

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

Die Entwicklung des optimalen Antriebs ist häufig kein Kinderspiel – der Einsatz von Simulation kann die entscheidende Unterstützung bieten.

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Ein durchgehender simulationsgestützter Entwicklungsprozess bietet die Chance, die komplexen Anforderungen bei der Entwicklung von elektrischen Antrieben auszutarieren und in ein optimales Produkt zu überführen.
Ein durchgehender simulationsgestützter Entwicklungsprozess bietet die Chance, die komplexen Anforderungen bei der Entwicklung von elektrischen Antrieben auszutarieren und in ein optimales Produkt zu überführen.
(Bild: ©YouraPechkin - stock.adobe.com)

Die numerische Simulation ist seit Jahren ein bewährtes Werkzeug zur Unterstützung bei der Entwicklung elektrischer Maschinen. Mit der zunehmenden Forderung nach Effizienz, Kosteneinsparung und volumenbezogener Leistung rücken Fragestellungen in den Vordergrund, die eine numerische Modellierung erfordern. Dabei geht der Trend hin zu einer Betrachtung des elektrischen Antriebs als System, von der Magnetkreisauslegung, über die Schaltungssimulation bis zur Kühlung.

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Das Zusammenspiel verschiedener Systemkomponenten, deren starke Abhängigkeiten untereinander sowie die physikalischen Wechselwirkungen erfordern einen Prozess, der den Entwurf, die Entwicklung, die Produktion und die Einsatzphase von Produkten umschließt. Ein durchgehender simulationsgestützter Entwicklungsprozess bietet die Chance, die komplexen Anforderungen auszutarieren und in ein optimales Produkt zu überführen.

Schnelle Vorauswahl in der Entwurfsphase

In frühen Phasen der Produktdefinition ist eine schnelle Vorauswahl erfolgsentscheidend. Innerhalb weniger Tage muss ein Design entworfen und die wesentlichen Grundgrößen festgelegt werden. Anhand von Lastzyklen und Effektivitätsdiagrammen können grundlegende Eigenschaften beispielsweise für den Regelbetrieb ermittelt werden, um den Designraum einzugrenzen. Dazu kann zum Beispiel die Software Motor-CAD eingesetzt werden.

  • Die Software Motor-CAD Therm erzeugt auf Basis vordefinierter Bibliotheken und bewährter Voreinstellungen ein vollständiges Systemmodell als thermisches Netzwerk.
  • Motor-CAD Emag ergänzt mit automatisiert ablaufenden 2D-FE-Berechnungen die magnetischen Eigenschaften für verschiedene Betriebszustände wie Leerlauf oder Volllast.
  • Mit Motor-CAD Lab erfolgt eine kombinierte Betrachtung der Effektivität mit dem Lastzyklus, um die Eignung des Designs für die Anforderungen abzugleichen.
  • Die umfangreiche Bibliothek von Maschinentypen und Kühlkonzepten sowie die hohe Berechnungsgeschwindigkeit im Bereich weniger Minuten ermöglichen eine zielgerichtete Anpassung des Designs zur Abstimmung der thermischen und magnetischen Eigenschaften auf die Anforderungen.

Auf Basis eines solchen voroptimierten Entwurfs liefern weitergehende Betrachtungen per FEM-Berechnung und CFD-Analyse detaillierte Aussagen mit höherer Realitätstreue. Die Magnetfeldsimulation mit Ansys Maxwell bildet den Einfluss von 3D-Effekten ab und sichert die Robustheit in unterschiedlichen Szenarien.

Anwendertreff Mechatronische Antriebstechnik

Im Fokus des Anwendertreffs Mechatronische Antriebstechnik stehen die mechanischen Komponenten Getriebe, Kupplungen und Bremsen sowie deren Auslegung, Dimensionierung und Zusammenspiel im mechatronischen Gesamtsystem.

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Auswirkung der thermischen Eigenschaften eines Antriebs

Als Beispiele seien hier die Auswirkungen des Wickelkopfs auf die magnetische Feldführung, die thermische oder elektrische Entmagnetisierung, aber auch das Verhalten in Fehlerfällen wie Kurzschluss, Exzentrizität oder axiale Verschiebung genannt. Aufgrund der großen Bedeutung der thermischen Eigenschaften hinsichtlich Ausfallsicherheit aber auch hinsichtlich der Materialkosten (Materialklassen für Magnete und Isolation) werden thermische Analysen für verschiedene Betriebsarten durchgeführt. Das reicht von Betrachtungen einzelner Komponente mit hohem Detailgrad über Gesamtbetrachtungen bei komplexen Einbausituationen in Form von 3D-Strömungsanalysen mit Ansys CFD und Ansys Icepak bis hin zu Systemanalysen mit 1D-Strömungsmodellen in Ansys Simplorer.

Realitätstreu bei hoher Geschwindigkeit

Für eine Kombination von Realitätstreue, wie sie 3D-Analysen liefern, und der Geschwindigkeit, wie sie für die Untersuchung des dynamischen Zusammenspiels auf Systemebene erforderlich ist, bietet die Technik der Modellordnungsreduktion – zum Beispiel mit Model Reduction inside Ansys – einen Weg, um Verhaltensmodelle (ROMs – reduced order models) zu erzeugen, die Realitätstreue und Berechnungsgeschwindigkeit kombinieren.

Automatisierte Werkzeuge für wiederkehrende Worksflows

Die Wechselwirkung kann jedoch auch räumlich verteilte Größen einschließen, beispielsweise im Fall von Geräuschemissionen, bei denen die verteilten magnetischen Grenzflächenkräfte die mechanische Struktur zu Schwingungen anregen. Solche domänenübergreifenden Arbeitsprozesse waren in der Vergangenheit oft eine Expertenaufgabe, sodass Cadfem typische Workflows in Form automatisierter Werkzeuge anbietet, zum Beispiel Electric Drive Acoustic inside Ansys, das für Elektromotoren eine schnelle Bewertung der Körperschall-Emission bietet.

Buchtipp

Das Buch Praxishandbuch Antriebsauslegung hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

Ansys unterstützt verschiedene Formate und Methoden

Solche Wechselwirkungen schließen auch die Leistungselektronik und Regelung mit ein, weshalb Systembetrachtungen zunehmend die physischen Komponenten mit Elektronik und Embedded Software kombinieren. Da an dieser Stelle oft Entwicklungspartner von unterschiedlichen Herstellern gefordert sind, geeignete digitale Modelle ihrer Systemkomponente bereitzustellen, unterstützt Ansys verschiedene Formate und Methoden: FMUs (Functional Mock-up Units) als gekapselte Modelle oder als Cosimulation, reduzierte Modelle per ECE, LTI, modaler Reduktion, Krylov-Unterraum-Verfahren, individuelle Systemkomponenten auf Basis von Modelica und VHDL-AMS oder mehrdimensionale Kennfelder (MOP – Model of Optimal Prognosis).

Bessere Systemintegration bei gleichzeitigem Schutz des Know-hows

Zulieferer können durch solche Modelle einen Beitrag für die modellbasierte Produktentwicklung leisten und somit eine bessere Kundenbindung erzielen. Eine engere Zusammenarbeit auf Basis digitaler Verhaltensmodelle ermöglicht ihren Kunden eine bessere Systemintegration, kapselt gleichzeitig aber auch die Details der inneren Struktur ihrer Produkte und schützt so ihr geistiges Eigentum.

Automatisierte Variantenuntersuchungen beschleunigen die Entwicklung

Aufgrund der vielfältigen und oft miteinander konkurrierenden Anforderungen – wie Leistung, Drehmomentwelligkeit, Effektivität, Temperaturniveau, Material- und Herstellungskosten – erfordert ein gutes Design bereits in frühen Phasen die Kenntnis der relevanten Einflussfaktoren in verschiedenen Betriebszuständen.

Die Untersuchung einzelner Designs kann dabei kaum eine systematische Entwicklung unterstützen. Vielmehr sind hier automatisierte Variantenuntersuchungen nötig, die alle technischen, aber auch nichttechnischen Einflussgrößen wie Kosten beinhalten. Auf diese Weise können die komplexen Abwägungen zur Auflösung von Zielkonflikten transparent, mit hoher Geschwindigkeit und hoher Kundenzufriedenheit erfolgen.

Der Simulationsexperte Cadfem unterstützt diesen Entwicklungsprozess durch ein Angebot ineinandergreifender Simulationswerkzeuge, effizienter Workflows und einer erfahrenen Mannschaft von Experten, die es gewohnt sind, domänenübergreifende Lösungen zu liefern.

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So unterstützt Motor-CAD beim Entwurf von Elektromotoren

Motor-CAD ist ein Softwarepaket für den Entwurf von Elektromotoren und Generatoren. Um die elektromagnetische Performance und die Kühlung bereits in der Designphase zu berücksichtigen, stehen Motor-CAD Emag, Motor-CAD Therm und Motor-CAD Lab zur Verfügung. Alle Eingaben werden über maschinenspezifische Eingabefelder definiert und mit praxisbewährten Standardwerten unterfüttert. Das Verhalten eines Designs in verschiedenen Einsatzprofilen wird in wenigen Minuten berechnet, sodass Produktentwickler schnell verschiedene Varianten durchspielen und ihr Design schrittweise verfeinern können.

  • Motor-CAD Therm: Die thermischen Untersuchungen in Motor-CAD basieren auf thermischen Netzwerken, wodurch die Analyse ex­trem schnell wird. Alle thermischen Widerstände und Kapazitäten werden automatisch aus den geometrischen Abmessungen des definierten Designs berechnet. Mit den verwendeten Algorithmen werden erzwungene und freie Konvektion, Flüssigkeitskühlung, Strahlung und Wärmeleitung unterstützt. In Abhängigkeit von den gegebenen Kühlmechanismen werden automatisch geeignete Modelle für den Wärmeübergang ausgewählt. Das Luftspalt-Modell deckt laminare und turbulente Konvektion ab. Eine umfangreiche Bibliothek typischer Komponenten (Gehäuse, Kühlverfahren) und messtechnische validierter Kenndaten (z. B. Einfluss von Oberflächen, Fertigungsprozessen) gewährleisten eine schnelle, ingenieurgerechte Definition der Analyse.
  • Motor-CAD Emag: Mit Motor-CAD Emag kann die Performance einer Vielzahl von Maschinentypen untersucht und verbessert werden. Dazu gehören bürstenlose Permanentmagnet-Maschinen, Asynchronmaschinen, geschaltete Reluktanzmaschinen, synchrone Reluktanzmaschinen und Synchronmaschinen. Über benutzerfreundliche Eingabemasken werden die Geometrie, Wicklungsschema, Regelungsstrategie, Materialien und Kühlungsparameter definiert. Typische Testszenarien sind vordefiniert und berücksichtigen sowohl die magnetischen als auch die thermischen Eigenschaften eines Designs. Die Analysen dauern meist nur wenige Sekunden und liefern neben den Feldverteilungen Ergebnisgraphen wie Drehmoment über Drehzahl oder Rastmoment über Drehwinkel.
  • Motor-CAD Lab: Um verschiedene Betriebspunkte elektrischer Maschinen abzubilden, stehen in Motor-CAD Lab Auswerteroutinen für den Einsatz der Maschine zur Verfügung. Efficiency Maps zeigen die Effizienz über Drehzahl und Drehmoment. In Kombination mit Fahrzyklen oder anderen Lastkollektiven lassen sich verschiedene Einsatzszenarien und die daraus entstehenden Temperaturprofile ermitteln und dadurch die Eignung der Maschine sowohl hinsichtlich Leistung, Effizienz und Kühlung für den beabsichtigten Einsatz bewerten.

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