Contact Us

TEAM 24: Nichtlinearer zeitlich transienter Rotationsprüfstand

HOME / Anwendungen / TEAM 24: Nichtlinearer zeitlich transienter Rotationsprüfstand
WEBINAR
Simulation of axial flux machines in EMS/SolidWorks
Thursday, December 2, 2021
Time
SESSION 1
SESSION 2
CET (GMT +1)
03:00 PM
08:00 PM
EST (GMT -4)
09:00 AM
02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

Allgemeine Beschreibung des Problems

Dieses Problem dient als Benchmark für die zeitlich transiente elektromagnetische 3D-Simulation. Ein Prüfstand mit ähnlicher Konfiguration einer geschalteten Reluktanzmaschine besteht aus massivem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und ist in einem nichtmagnetischen Käfig montiert. Dieser Käfig dreht sich um eine Edelstahlwelle. Die Abmessungen des Prüfstands sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Dicke von Stator und Rotor beträgt 25,4 mm. Abbildung 2 zeigt die geometrischen Parameter jeder Polspule. Der Rotor ist in einem Winkel von 22 Grad geneigt [1]. Abbildung 3 zeigt ein 3D-Modell des simulierten Prüfstands in SOLIDWORKS.


Abmessungen von Stator und Rotor

Abbildung 1 - Abmessungen von Stator und Rotor.

Abmessungen der Spulen

Abbildung 2 - Abmessungen der Spulen.


SOLIDWORKS-Modell-des-Prüfstands

Abbildung 3 - SOLIDWORKS-Modell des Prüfstands.

Zeitbereichs-EM-Simulation mit EMS für SOLIDWORKS

Das Transient Magnetic-Modul von EMS dient zur Berechnung und Visualisierung von Magnetfeldern, die sich über die Zeit ändern. Diese Felder werden typischerweise durch Strom- oder Spannungsstöße verursacht. Diese Art der Analyse kann linear oder nicht linear sein. Es geht auch auf Wirbelströme, Leistungsverluste und magnetische Kräfte ein.

Um eine Analyse mit EMS durchzuführen, sind folgende Schritte erforderlich:
  • Erstellen Sie eine neue transiente magnetische Studie
  • Wenden Sie die richtigen Materialien auf alle Teile an
  • Legen Sie eine geeignete Spule (spannungs- oder stromgesteuert) mit der richtigen Erregung an.
  • Führen Sie die Simulation aus und sehen Sie sich die Ergebnisse an

Materialien

Nach dem Erstellen einer transienten Magnetstudie besteht der nächste Schritt darin, jedem Bauteil Material zuzuweisen.

Der Stator und der Rotor bestehen aus EN9-Stahl. Es zeichnet sich durch eine elektrische Leitfähigkeit von 4,54 e + 6 S/m und eine BH-Kurve aus, die in der folgenden Abbildung 4 dargestellt sind. Die Spulen bestehen aus Kupfer mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 57,7e + 6 S/m. Alle anderen Teile werden mit Luft beaufschlagt.


Gemessene Anfangsmagnetisierungskurve

Abbildung 4: Gemessene anfängliche Magnetisierungskurve [1].

Spulenanregung

Bei diesem Problem werden 350 Windungen Kupferdraht verwendet, um die Wicklung herzustellen. Abbildung 5 zeigt den Eingangsstrom jeder Wicklung.

Eingangsstrom für jede Wicklung

Abbildung 5 - Eingangsstrom für jede Wicklung.

Zur Berechnung der am Rotor erzeugten Magnetkraft und des Drehmoments wird eine virtuelle Arbeit am Rotor definiert.

Gittergewebe

Die Netzqualität ist für jede FEM- Simulation von entscheidender Bedeutung. Die Ergebnisgenauigkeit und die Lösungszeit hängen stark von der Maschenweite ab. Mit EMS kann der Benutzer die Maschengröße von Volumenkörpern und Flächen über die Netzsteuerungsfunktion steuern. In diesem Beispiel werden mehrere Netzsteuerelemente angewendet, wie in Tabelle 1 gezeigt. Abbildung 6 zeigt das Netzmodell.

Tabelle 1: Angewandte Netzkontrollen

Karosserien/Bauteile Mesh-Kontrollgröße
Spulen und Welle 6 mm
Stator und Rotor 4 mm
Luftspalte 0,5 mm



Meshed-Modell

Abbildung 6 - Maschenmodell.

EMS-Ergebnisse

Sobald die Lösung fertig ist, werden die folgenden Ergebnisse erstellt: magnetische Flussdichte, magnetische Feldstärke, Wirbelstrom, Induktivität, Impedanz, Flusskopplung, Strom, induzierte Spannung, Kraft, Drehmoment und Verluste usw.

Die Figuren 7 und 8 zeigen jeweils Streifen- und Vektordiagramme der magnetischen Flußdichte im Modell zu zwei Zeiten - 0,24 s und 0,195 s. Der sowohl am Stator als auch am Rotor induzierte Wirbelstrom ist in Abbildung 9 aufgetragen.


Streifen-Plot-der-magnetischen Flussdichte-bei-0,24s

Abbildung 7 - Streifenplot der magnetischen Flussdichte bei 0,24 s.



Vektor-Plot-der-magnetischen-Flussdichte-bei 0.195 sec-auf-dem-mittleren-Abschnitt-des-Modells

Abbildung 8 - Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte bei 0,195 Sekunden im mittleren Abschnitt des Modells.



Wirbelstromdichte bei 0,17 s

Abbildung 9 - Wirbelstromdichte bei 0,17 Sek.

Abbildung 10 zeigt einen Vergleich der Drehmomentschwankungen zwischen den Ergebnissen von EMS und TEAM 24. Wir finden aus dem Diagramm, dass das EMS-Ergebnis eine gute Übereinstimmung mit dem verglichenen Benchmark zeigt.


Drehmoment-Ergebnis-Vergleich

Abbildung 10 - Drehmomentvergleich

Fazit

Elektromagnetische Transientenprobleme könnten mit dem Transient Magnetic-Modul von EMS simuliert werden. Die in dieser Note veröffentlichten Ergebnisse zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit der Benchmark. Der transiente magnetische Löser kann sowohl mit dem Bewegungs- als auch mit dem thermischen Löser gekoppelt werden, um verschiedene Anwendungen wie Motoren, Generatoren, Wirbelstrombremssysteme, NDT-Sensoren usw. zu untersuchen.

Verweise

  [1] http://www.compumag.org/jsite/images/stories/TEAM/problem24.pdf