K. Reichert ETH Zürich. FEMAG-Entwicklungen seit

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1 FEMAG-Entwicklungen seit

2 Stand Anfang 2012 : Allgemein: - Fehlerbeseitigungen... - Algorithmen: Fouriertransformation, Regression - Auswertung und Darstellung... FEMAG - DC : - Neue Funktionen: Entmagnetisierung on-line, Pdsd-Psiq-Identifikation - Neue CAD-Parametermodelle - Gemischte Netzgenerierung: Ordnung - Fast-Berechnungsverfahren - Scriptfunktionen, Verbindungen, Funktionen - Magnetisierungskennlinien und Verlustdaten FEMAG-Entwicklungen seit

3 Allgemeines: - Erweiterte Programmsteuerung, neue Maske - Verbesserte dxf-verarbeitung - Erweiterte CAD-Modelle - Neue schnelle Netzgenerierung - Kraftberechnungsmethode: Maxwell (Coulomb) + Aenderung magn. Energie - Mehrere Modelle für Eisenverlustberechnung - Ueberarbeitung Entmagnetisierung CAD-Funktionen und Script: - Vereinfachung der Scripterzeugung: Erzeugung von Scriptdateien aus CAD-Modellen, Berechnungs- und Auswertungsfunktionen Gelöste Aufgaben FEMAG:

4 Alte Maske Neue Maske Gelöste Aufgaben FEMAG:

5 FEMAG-Ablaufsteuerung und Daten: Extern: startwfe.bat oder Aufruf:./wfemag.exe,./xfemag wfemag wfemag b keine Masken und Grafik-Ausgabe wfemag g nur Grafik-Ausgabe wfemag xxx.fsl Scriptfiles wfemag xxx.mlog Logfiles Intern: Node Chains/CAD-Param/FE-Contr Parameter Nichtlineare Iteration: Anzahl, Abbruchkriterium, Grafik, Scriptfile schreiben: Y/N..... Ausgabe Ergebnisse: Interaktive Benutzung IB Batch + IB I-FEMAG + IB Daten: File xxx.bch, Scriptfunktionen zur Verwendung in Script, I-FEMAG Grafik: Files xxx.ps und I-FEMAG FEMAG-Entwicklungen

6 FEMAG-Ablaufsteuerung: Extern: startwfe.bat: neue Version!!! rem rem Runs wfemag rem PATH=%PATH%;c:\femag start wfemag.exe Nur noch eine Maske!!! Programmsteuerung 6

7 FEMAG-Ablaufsteuerung: Intern: Aufruf Script-Files Crl P : Aufruf Logfiles Crl L : Erzeugen von Logfiles Programmsteuerung 7

8 Interface FEMAG : Menümaske: Bedienung mit Tastatur Alphanumerischer Block Zahleneingabe Bildschirm: Bedienung mit Maus Steuerung: Return, Cursor Batch_Verarbeitung mit Log-Files und Script Programmsteuerung 8

9 FEMAG-Ablaufsteuerung: Intern: Node Chains/CAD-Param/FE-Contr Parameter - Grafik darstellen: Y/N - Entmagnetisierungsgrenzen - Bewegen innen oder aussen!!! Neu - Nichtlineare Iteration: Anzahl, Abbruchkriterium - Scriptfile schreiben: Y/N Programmsteuerung 9

10 Node Chains/CAD-Param/FE-Contr Parameter Programmsteuerung 10

11 Neu Bewegung innen Bewegung aussen Anwendungen: Anisotropie Maschinenmodelle 11

12 Benutzer IB FEMAG, INTENS Scriptfile erzeugen mit Editor: Script- Funktionen Lua-Funktionen Scriptfile erzeugen In Node Chains/CAD-Param/ mit I-FEMAG mit Editor FEMAG-Scriptfunktionen LUA-Funktionen Aufruf in FEMAG oder In I-FEMAG FEMAG-Entwicklungen

13 Maschinenmodelle + Fastfunktionen 13

14 Erzeugung Maschinenmodelle STATOR MODELS Stator 1 Stator 2 Stator/Rotor 3 Stator 4 Stator 41 Stator 5 Stator/Rotor 7 Stator KS 1 Stator KS 2 Stator KS 3 Stator/Rotor KW Stator 3 Lin Stator SR ASYN Stator Stator flux/swi Stator BG Stator 4 Lin UNDO RETURN ROTOR MODELS Rotor 1 Rotor 2 Rotor 3 Rotor 4 Rotor 5 Rotor 7 Rotor 8 Rotor KS 2 Rotor KS 3 Rotor HSM Rotor SR Stator/Rotor 3 Stator/Rotor 4 ASYN Rotor UNDO RETURN Magnet Modells Magnet Sector Magnet in Iron Magnet in Iron 2 Magnet Stator 6 Magnets Magnet Shell Magnet EMB Magnet VAC Magnet Linear Magnet in Iron 3 Magnet in Iron 4 Magnet Rotor FC Magnet Single Coil Magnet in Iron V Magnet BG Magnet+Reluctance Magnet in Iron 5 Magnets New Magnet Rotor FC2 HOLES etc. Hole in Teeth Hole General Hole Multi Make Ellipse Displ. Stator Displ. Rotor UNDO RETURN UNDO RETURN Maschinenmodelle 14

15 Erzeugung Maschinenmodelle Maschinenmodelle 15

16 Erzeugung Maschinenmodelle mit Script Eintrag in fsl-file: -- STATOR_3 -- Version: Nov 2012 m.yoke_diam = Outer diameter yoke DAS [mm] m.inside_diam = Inner diameter DIS [mm] m.slot_height = Total slot height HSL [mm] m.slot_h1 = Slot opening height H1S [mm] m.slot_h2 = Slot head height H2S [mm] m.slot_width = Slot width SWI,< 0 groove in Slot[mm] m.slot_r1 = Upper Radius R1S [mm] m.slot_r2 = Lower Radius R2S [mm] m.wedge_width1 = Distance middlepoints B1S [mm] m.wedge_width2 = Distance middlepoints B2S [mm] m.nodedist = Rel. node distance in iron > 0.5 m.middle_line = Layers: 0,vert:1,horiz:2,vert+horiz:3 m.tooth_width = Tooth width TW (replaces B1, B2) [mm] m.slot_top_sh = Top of slot: corner=2, line=1, arc=0 m.airgap = Mesh in airgap: 2/3 airgap height[mm] m.tot_num_sl = Total number of teeth on 2pi m.num_sl_gen = 3 -- Number of teeth be generated m.zeroangl = Reference angle to x-axis [grad] m.mcvkey_yoke = 'dummy' pre_models("stator_3"); Script fsl 16

17 Neu: Erzeugung Script-File Einträge Ergebnisse Eintrag in fsl-file: -- Simulation Data: -- induct(x) -- Version: Nov 2012 m.defpath = Define path with radius (2) m.coord_x1 = Point coordinate x1 [mm] m.coord_y1 = Point coordinate y1 [mm] post_models("induct(x)","b") x(1) = b[1] -- first position bn(1) = b[2] -- first bn value bt(2) = b[3] -- first bt value x(2) = b[4] -- second position n = table.getn(b) -- Number of values in b Script fsl 17

18 Materialparameter Eingabe: Default-Parameter: Node Chains/CAD-Param/... werden überschrieben in : Material constants, M-Curves Problem: Eisenverlustberechnung 18

19 Eisenverlustberechnung in FEMAG: Abweichung der Verlustwerte bei hohen Frequenzen Keine Berücksichtigung des Unterschiedes zwischen translatorischer und rotatorischer Magnetisierung bei 2) Bisher: Eisenverlustberechnung pro Element: 1. Steinmetz-Modell: 2. Vereinfachtes Steinmetz-Modell: Identifikation der Parameter k W, α, β durch Regression der Verlustwerte: V Fe = f(b,f) γ β α + = B B f f k f f k V e W H Fe γ β = 0 B 0 B f f k V e W Fe Probleme : Problem: Eisenverlustberechnung 19

20 Probleme: + Messwerte V - Näherung: Fe = k W f f β B e 0 B 0 γ Vereinfachtes Steinmetz-Modell: Problem: Eisenverlustberechnung 20

21 Eisenverlustberechnung in FEMAG: Neu Keine Berücksichtigung der translatorischen und rotatorischen Magnetisierung bei 2) Nicht skalierbar Eisenverlustberechnung pro Element: 1. Steinmetz-Modell: 2. Geglättete und erweiterte Verlustwerte: V Fe = f(b,f) Interpolation mit dem vereinfachten Steinmetz-Modell: Identifikation der Parameter k W, α, β durch Regression 3. In Script: Definition einer Funktion für V Fe = f(b,f,k h ) γ β α + = B B f f k f f k V e W H Fe γ β = 0 B 0 B f f k V e W Fe Probleme: Problem: Eisenverlustberechnung 21

22 + Messwerte V _ VFe = f(b,f,k h ) Interpolation mit : Fe = k W f f β B e 0 B 0 γ Verbessertes Verlustmodell, k W, α, β aus V Fe = f(b,f) Problem: Eisenverlustberechnung 22

23 FEMAG - DC Version: Oct 2006 Problem: Eisenverlustberechnung 23

24 Ld-Lq-Parameter Identifikation mit FEMAG Neu für alle Maschinenarten: Synchronmaschinen - Permanentmagnet erregt - elektrisch erregt + Reluktanzeffekt Reine Reluktanzmaschinen 1) u d = ω s L q i q 2) u q = ω ( ψ s m + L d i d ) 3) T = m / 2 p (( ψ m + L d i d ) i q L q i d i q ) L d, L, ψ = f ( β, I) q m Problem: Parameter- Identifikation 24

25 gegeben Ld-Lq-Parameter Identifikation mit FEMAG u = ω ψ u Leerlauf : Lage der q Achse Belastung : I = 0 aus Gl. 3) I d d ψ m d, u q, i d 0 L d, i, L q q, T, ω gesucht L, L, ψ = f ( β, I) Lösung: d q m s aus Gl. 1) + 2) Wesentlich: Uebereinstimmung FE- und Simulationsmodell DQ-Parameter for open Winding Modell ( bch-file ) p I s m β i q Wdg.-Curr Angle Beta Ld Lq Voltage Up Psi_d Psi_q Torque [A (RMS)] [Degr] [H/mm] [H/mm] [V/mm(RMS)] [Vs/mm(RMS)] [Vs/mm(RMS)] [Nm/mm] E E E E E E E E E-01 Wdg.-Curr Angle Beta Torque FE Torque sim Voltage FE Voltage sim Angle Up-U [A (RMS)] [Degr] [Nm] [Nm] [V (RMS)] [V (RMS)] [Degree] Problem: Parameter- Identifikation 25

26 FE-Leerlauf-, Lastsimulation, β-optimierung Problem: Parameter- Identifikation 26

27 Entmagnetisierung Magnete Transienter Kurzschluss Leerlauf Last 1. Entmagnetisierung im quasistationären Betrieb 2. Entmagnetisierung im idealen Stosskurzschluss ( Flusskonstanz) 3. Simulation des zeitlichen Kurzschlussvorganges mit Lq-Lq Modell und FE-Simulation für den ungünstigsten Fall ( max. Ströme) Problem: Entmagnetisierung 27

28 1. Entmagnetisierung Magnete im quasistationären Betrieb FEMAG Eingabewerte: B r, µ p, H c aus VP_Rechnung: Bvp In die Elementdaten: Br NdFeB: H c < ka/m Ferrit: H c < ka/m Problem: Entmagnetisierung 28

29 Simulation quasistationärer Betrieb mit Belastung und Entmagnetisierung in FEMAG Magn. Feldstärke Remanenz Problem: Entmagnetisierung 29

30 1. Entmagnetisierung Magnete im quasistationären Betrieb [******************************************************** Magnet Data: Remanence Br [T]: Co. Force Hc (B=0) [ka/m]: Rel. Permeability: Magn.Temperatur[grad]: Temp.coeficient Br : Limit demagnetization Hx [ka/m] Total magnet area [mm**2] H in magnet can be smaler than H max H max <= Hx [******************************************************** Demagnetisation: Displ. Current_1 Current_2 Current_3 H max H av % area demagnetized Situation of max. Demagnetization: Problem: Entmagnetisierung 30

31 2. Entmagnetisierung im idealen Stosskurzschluss ( Flusskonstanz) Entmagnetisierung bei Last Problem: Entmagnetisierung 31

32 3. Transiente Kurzschlussberechnung: Entmagnetisierung Ld/Lq-Modell erzeugt in FEMAG Aufruf in Fast Calculations Problem: Entmagnetisierung 32

33 3. Transiente Kurzschlussberechnung: FE-Simulation der Entmagnetisierung für den ungünstigsten Fall ( max. Ströme) in FEMAG mit Multiple-I/x Problem: Entmagnetisierung 33

34 Berechnungsverfahren: - Verbesserte Eisenverlustberechnung - Berechnungsverfahren mit vereinfachter Eingabe - Ausgabe von Steuerungsdaten aus der T-n-Berechnung für die Berechnung von Verlustkennfeldern - Berechnung von Verlust-Kennfeldern: V( n, I, β ) - Radial und Tangentialkräfte auf Einzelzähne und Fourieranalyse - Radial und Tangentialkräfte im Luftspalt und 2D-Fourieranalyse - Flusskonstanz-Kurzschlussberechnung: Entmagnetisierung - Transienter Kurzschlussstrom und Magnetbeanspruchung - Kraftberechnungsmethode: Maxwell (Coulomb) + Aenderung magn. Energie Gelöste Aufgaben FEMAG:

35 Kraftberechnungsmethoden in FEMAG: a) Maxwell (Coulomb): c) Innere Leistung + Aenderung magn. Energie ; ] [ + = = C t n C f d t p n p f p d F r r r r = C f p d r T r r r b) Aus der inneren Leistung: α ψ ψ r r r r d d i T d x d i F i i i i = = ; α α ψ ψ r r r r r r = = magn i i magn i i W d d i T x W d x d i F ; ; ) ( t n n B B p = µ t n t B B p µ 1 = Problem: Kraftberechnung 35

36 Kraftberechnungsmethoden in FEMAG: 1) Global nach a)maxwell (Coulomb), b) und c) 2) Lokal nach Maxwell (Coulomb) a) Problem: Kraftberechnung 36

37 Kraftberechnungsmethoden in FEMAG: Maxwell Fragen : Einfluss FE-Netz bei Rastmonentberechnungen? Problem: Kraftberechnung 37

38 Radial und Tangentialkräfte auf Einzelzähne und Fourieranalyse Zahnkräfte Kraftdichte Im Luftspalt Nach Maxwell Problem: Kraftberechnung 38

39 Neu: Finite-Elemente Modelle aus FEMAG-dc Kräfte aus FEMAG-dc Verformungen, Beanspruchungen durch magnetische Kräfte und Fliehkräfte Eigenwerte und Eigenformen Problem: Kraftberechnung 39

40 Luftspalt: 0.6 mm Problem Netzgestaltung 40

41 Luftspalt: 1.6 mm Grobes Netz Problem Netzgestaltung 41

42 Luftspalt: 1.6 mm Verfeinertes Netz Problem Netzgestaltung 42

43 Luftspalt: 1.6 mm Verkürtzter Steg Problem Netzgestaltung 43

44 Kleine Luftspaltweite bei eingebetteten Magneten: Grosses Rastmoment, Ld/Lq gross Spannung wird vom wirksamen Luftspalt (Magnet + Luftspalt) bestimmt, daher kleiner Einfluss einer Luftspaltvergrösserung Problem Netzgestaltung 44

45 Einfluss des Netzaufbaues of das Rastmoment Modell A Modell B Problem Netzgestaltung 45

46 Nach Maxwell Modell A Modell B Problem Netzgestaltung 46

47 FEMAG-Probleme: - FEMAG wächst und benötigt immer mehr Speicher - Der Adressbereich von Windows <= 2 GB (auch 64bit) - Der Speicher wird auch von anderen Programmen belegt Lösungen: - Neue Komplilation mit f2c und stack = 10MB Windows: wfemag.exe <= Elemente, wcfemag.exe <= Elemente Linux 64bit: <= Elemente - Segmentierung der Funktionen: Script, z.b. - nur drehen und rechnen > File - nur File auswerten - I-FEMAG ( Intens ) FEMAG-Entwicklungen

48 I-FEMAG neu übergeordnte Datenverwaltung übergeordnete Programmverwaltung : FEMAG, Analytische Programme, Matlab und Datenaustausch FEMAG: interaktiv, log-file, Scriptfiles, Maschinenmodelle und Berechnungsverfahren Datenaustausch und Auswertung: z.b. Kennfeldberechnung unterstützt verteiltes Rechnen im Netz ( Unterstüzt Einsatz von Graphikprozessoren ) FEMAG-Entwicklungen

49 Anfragen, Fehlermeldungen, Verbesserungsvorschläge wie bisher an: Prof. Dr. Tel reichert@ee.ethz.ch, konradr@ee.ethz.ch Dr. R. Tanner Tel tar@semafor.ch Dr. J. Steinbrink Tel steinbrink@ial.uni-hannover.de Home page: Programme Home page: : Information... FEMAG-Entwicklungen

50 R.Tanner FEMAG Basismodule FEMfeAG -dc, -ac, -me J. Krotsch R.Tanner Skript - fsl R.Tanner I FEMAG intens J.Steinbrink FEMAG Anwendungsmodule Betreuung FEMAG: Ansprechpartner