Elektrische Maschinen


In der Arbeitsgruppe elektrische Maschinen wird die Auslegung und Berechnung von elektrischen Maschinen durchgeführt und neuartige Simulationsmöglichkeiten erforscht.

This workgroup designs and calculates electric machines and does research on new simulation methods.

 

Vereinfachung von FEM-Berechnungen

Simplification of FEA-Calculations

Im DC-Elektromotorenbereich wurde ein virtuelles Motormodell (VRAM – Virtual Rapid Analysis Model) für permanenterregte Gleichstrommotoren nach einer Reduced-Order-Model-Methode aufgebaut, d. h. die Komplexität einer FEM-Berechnung wird signifikant herabgesetzt. Mit einer neu entwickelten Berechnungs-Methode (RCM – Rapid Calculation Method) wird mit Hilfe von Lookup-Tabellen die Überlagerung der magnetischen Durchflutungsquellen quasi-analytisch unter Berücksichtigung magnetischer Sättigung berechnet. Dynamische Spulen- (Strom, Spannung, Flussverkettung) und Motorwerte (Strom, Spannung, Drehzahl und –moment) werden im VRAM schnell und in hoher Genauigkeit bis hin zum Bürstenfeuer simuliert. Die nichtlinearen Werte für Flussverkettung und Drehmoment sind praktisch identisch mit denen aus 3D-FEM-Berechnungen und bestätigen die Genauigkeit. Das VRAM kann für die Optimierung von Parametern, die nicht direkt den Magnetkreis beeinflussen verwendet werden. Berechnete Motorkennlinien spiegeln das nichtlineare Verhalten des Magnetkreises sehr deutlich wieder. Außerdem lassen sich Regelalgorithmen am virtuellen Motor testen. Die dem VRAM zugrunde liegende schnelle Rechenzeit gegenüber konventionellen Methoden stellt hierdurch eine kostengünstige Alternative zu etablierten Simulationsprogrammen dar.

In the workgroup DC-EMO a virtual rapid analysis model (VRAM) was built up replacing the conventional reduced order systems for physical value calculation of permanent magnet DC brush motors. The newly developed rapid calculation method (RCM) computes the superposition of magnetomotive forces with the aid of look-up tables while taking into account magnetic circuit saturation. Dynamic coil values (current, voltage, flux linkage) and motor values (current voltage, speed, torque) are calculated quickly and with high accuracy (including brush arcing) by VRAM. Nonlinear flux linkage and torque values are almost identical to validated 3D finite element analysis, therefore verifying the model’s accuracy. VRAM can be used to optimize nonmagnetic parameters, determine torque curves or develop control algorithms. VRAM’s relative high calculation speed in comparison to conventional methods is a huge advantage for research and development.

Flusskopplung2D

 

 

Erstellung eines parametrierbaren 3D-FEM-Modells und Untersuchung des Einflusses von Fertigungstoleranzen auf das Betriebsverhalten eines Synchron-Servomotors

Creating a parametric 3D-FEA-Model and Examination of the Manufacturing Tolerances Influence on the Operating Behavior of Permanent Magnet Synchronous Machines

Die Berechnung elektrischer Maschinen beschränkt sich meist mit Rücksicht auf die benötigte Rechenzeit auf 2D-Modelle, bei denen Randeffekte und Fertigungstoleranzen vernachlässigt oder im Nachhinein durch Korrekturfaktoren berücksichtigt werden. Möchte man speziell diese Effekte untersuchen, ist eine 3D-Simulation unvermeidbar. Für diese Untersuchungen wurde ein Tool entwickelt, das die aufwändige 3D-Modellerstellung stark vereinfacht. Die 3D-Modellerstellung wird durch die Kopplung des FEM-Programms Ansys Maxwell mit einem in Matlab programmierten Algorithmus durchgeführt. Die Modellierung läuft nach der Parametereingabe mittels einer graphischen Benutzeroberfläche vollständig automatisch ab. Es können verschiedene Rotorvarianten sowie optional die Anbauteile (Welle, Haltebremse, Lager, Gehäuse) berücksichtigt werden. Zusätzlich können mithilfe des Tools Randeffekte (z. B. Auswirkung des Bremsenstreufelds auf das Betriebsverhalten) und  Fertigungstoleranzen (z. B. statische/dynamische Exzentrizität, Verkippung der Welle, nichtideale Magnetisierung der Permanentmagnete) hervorragend modelliert werden.

The calculation of electrical machines is often limited to 2D-FEA models due to the required solution time. Hence edge effects and manufacturing tolerances have to be neglected or have to be considered by adjustment factors. If you have to analyze the edge effect’s influence on the machine a 3D-FEA simulation is inevitable. For these cases a tool was built to simplify the 3D modelling process of a whole motor series. The automatic 3D modelling procedure is realized by coupling the FEA tool Ansys Maxwell with an algorithm implemented in Matlab. The modelling procedure runs completely automatically after the user has entered all needed parameters in a graphical user interface. Besides rotor and stator of the machine it is also possible to model the motor’s shaft, holding brake, bearings and housing. This tool enables analyzing the edge effects (e. g. the influence of the holding brake’s magnetic stray field on the operating behavior) and the manufacturing tolerances (e. g. static/dynamic eccentricity, tilted shaft, non-ideal magnetized magnets).

 

Entwicklung eines Python-basierten, objektorientierten Interfaces zur FEM-Berechnung in Onelab/Gmsh/GetDP

Development of a Python-based, object-oriented interface for FEA-calculations in Onelab/Gmsh/GetDP

Das Programmpaket Onelab/Gmsh/GetDP ist eine Open-Source-Plattform zur FEM-Berechnung. Onelab stellt dabei das Interface für die FEM-Software bereit, Gmsh dient zur Vernetzung der Problemstellung und GetDP ist ein allgemeiner Finite-Elemente-Solver für u. a. elektromagnetische, thermische und akustische Betrachtungen. Die Verwendung von Open-Source-Software ermöglicht insbesondere die Reduzierung von notwendigen Lizenzen und damit Kosten für kommerzielle FEM-Software. Zusätzlich ermöglicht die nicht vorhandene Lizenzbeschränkung eine beliebige Steigerung von parallel durchgeführten Berechnungen. Dadurch kann die benötigte Simulationszeit von FEM-Berechnungen weiter reduziert werden. Das Python-basierte, objektorientierte Interface soll die Programmierung der zur Simulation benötigten Dateien vereinfachen, zusätzliche Funktionalitäten bereitstellen und die benötigte Zeit bis zum Beginn einer Berechnung verkürzen.

The program package Onelab/Gmsh/GetDP is an open-source-platform for FEA-calculations. Onelab serves as the interface for FEA-software, Gmsh provides the mesh-generator and GetDP is a general finite-element solver for e. g. electromagnetic, thermal and acoustic issues. The application of open-source-software reduces the number of needed (and payed) licenses and therefore costs for commercial FEA-software. In addition it enables to increase the number of parallel calculations because of the non-limited usage. Thus the needed simulation time of FEA-calculations can be reduced. The python-based, object-oriented interface will simplify the creation of pre-processing-data, gives new functionalities and reduces the time till the calculation starts. In collaboration with the open-source programs the tool will lower the costs for commercial software.

 

 

 

Übersicht iSEE: interaktives Seminar Elektromechanische Energiewandler

In bislang acht Animationen sollen hier die grundsätzlichen Wirkungsprinzipien rotierender elektromechanischer Energiewandler gezeigt werden (siehe Link unten).
Diese wurden erstellt, damit der Zusammenhang zwischen den Größen der Ersatzschaltbilder und der Verteilung von Strömen und magnetischen Feldern in der elektrischen Maschine gleichzeitig und dadurch verständlicher dargestellt werden kann.

Weiterleitung auf die Homepage der FHWS:

http://fe.fhws.de/fakultaet/laboratorien/lehrangebot/isee_inhaltsverzeichnis.html