Berechnen einer Kommutatormaschine mit FEMAG

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1 Berechnen einer Kommutatormaschine mit FEMAG FEMAG biete verschiedene Möglichkeiten um eine Kommutatormaschine zu berechnen. Mit Commutatormotor Simulation (Script: run_models('com-motor_sim')) kann das Drehmoment und die induzierte Spannung bei einer drehenden Maschine berechnet werden. Dabei wird der Rotor gedreht und die Armaturwicklungen entsprechend bestromt. In jeder Rotorposition wird dann das resultierende Drehmoment und die induzierte Spannung ermittelt. Commutator PM-Motor, simpified (Script: run_models('pm-motor_sim')) erlaubt eine abgekürzte Berechnung einer Gleichstrom-Kommutator-Maschine. Am stehenden Modell werden bei verschiedenen Strömen im Rotor die Koppelfaktoren zwischen Drehmoment und Strom, bzw. zwischen induzierter Spannung und Drehzahl ermittelt. Damit erhält man das einfache Spannungsquellen-Widerstands-Modell der Gleichstrommaschine. Anhand dieses Modells werden die Kennlinien der Gleichstrommaschine berechnet. Mit dieser Methode kann auch eine fremderregte Gleichstrommaschine untersucht werden. Universal-Motor, simplified (Script: run_models('uni-motor_sim')) macht im Wesentlichen dasselbe, jedoch für einen serie-erregte Maschine. Bei dieser Methode werden nicht nur die Armaturströme variiert, sondern auch die Ströme der in Serie geschalteten Feldwicklungen. Zudem wird auch noch die Flussverkettung aller Wicklung bestimmt und somit die Gesamtinduktivität der Maschine. Anhand des diskreten Element-Modells werden wieder die Kennlinien der Reihenschlussmaschine berechnet. Damit die einzelnen Berechnungen korrekt funktionieren müssen allerdings beim Aufbau des Modells einige Punkte berücksichtigt werden. ProFEMAG AG 10. August /5

2 1 Erzeugen des Modells für den Kommutatormotor 1.1 Rotor erstellen Als erstes muss das Modell des Rotors erzeugt werden. Dazu kann ein beliebiges CAD-Modell verwendet werden oder eine selbst definierte Geometrie kann verwendet werden. Bei Verwendung eins CAD-Modells wird jedoch empfohlen das Modell ohne Knotenketten im Luftspalt zu erzeugen (negative Zahl für m.airgap). Die üblichen Knotenabstände im Luftspalt passen in der Regel nicht zu der optimalen Schrittweite bei der Simulation. Die Knotenabstände im Luftspalt müssen so sein, dass die Schrittweite ein ganzzahliges Vielfaches der Knotenabstände ist. Andererseits muss der Umfang, geteilt durch die Lamellenzahl, ebenfalls ein ganzzahliges Vielfaches der Schrittweite sein. Hat also mein Motor l Lamellen und plane ich pro Lamelle k Rechenschritte, so muss ich für Knotenabstand d im Luftspalt d = 360 /(lˑkˑm), mit m = 1,2,3..., wählen. Am Schluss muss noch sichergestellt sein, dass der Rotor vernetzt ist. 1.2 Erstellen der Wicklung im Rotor Für einfache Kommutatormotoren (Lamellenzahl = Nutenzahl) steht ein Wicklungsgenerator zur Verfügung ( Generate Commutator-M. winding oder Input CM-Winding ). Der Wicklungsgenerator muss jedoch aufgerufen werden, bevor das Modell des Stators erstellt wird. Ansonsten findet der Wicklungsgenerator nicht die richtigen Superelemente für die Wicklungen. Für Motoren, bei denen die Lamellenzahl grösser als die Nutenzahl ist, müssen die Rotorwicklungen manuell erzeugt werden. Dazu kann man jede Spule einzeln definieren oder man verwendet die Funktion Make Winding from File Data (siehe FEMAG-Handbuch). Vorteilhafter weise definiert man die Rotorwicklungen im Uhrzeigersinn. Damit erhält man für die Kommutierungswinkel (siehe Erstellen des cmm-files) zu den Wicklungen korrespondierende aufsteigende Winkel. Der Rotor sollte auch so gedreht werden, dass das Feld der ersten Spule mit dem Erregerfeld über einander liegt. Wird dann im cmm-file der Kommutierungswinkel der ersten Spule = 0.0 gewählt, so befindet sie sich in dieser Lage in der Mitte der Kommutierungsphase. 1.3 Erstellen des cmm-files Zur Rotorwicklung muss noch ein cmm-file erstellt werden. Wurde die Wicklung automatisch mit erstellt ( Generate Commutator-M. winding oder Input CM-Winding ), so kann das cmm-file ebenfalls automatisch erzeugt werden ( Make cmm-file for Comm. Motor ). Ansonsten muss das File von Hand mit einem Editor erstellt werden. Das cmm-file hat dieselbe Struktur wie das poc-file. ProFEMAG AG Copy-right /5

3 Beispiel für ein cmm-file für einen Motor mit 24 Lamellen ohne Schrägung: 24 Anzahl Spulen bzw. Lammellen 1 Windings-Keys Kommutierungswinkel der entsprechenden Spule (0.0 für erste Spule) ProFEMAG AG Copy-right /5

4 Periodenwert sind bedeutungslos Schrägungswinkel 0 Schrägungsstufen 1.4 Stator erstellen Für den Stator kann wieder ein CAD-Modell oder ein selbst definiertes Modell verwendet werden. Auch hier verzichtet man vorteilhafterweise auf die automatische Generierung der Knotenketten im Luftspalt (negative Zahl für m.airgap). 1.5 Statorwicklung Für Universalmotoren (Reihenschlussmaschinen) oder für fremd erregte Gleichstrommotoren (Nebenschlussmotoren) muss noch die Feldwicklung erzeugt werden. Dies macht man entweder interaktiv oder mit Script-Befehlen. 1.6 Vervollständigen des Modells Schlussendlich müssen noch die Materialdaten und die Randbedingungen definiert werden. 2 Berechnen der Maschine 2.1 Commutatormotor Simulation -run_models('com-motor_sim') Mit dieser Funktion kann jede Art von Kommutatormaschine analysiert werden. Für die Berechnung wird der Rotor gedreht und die Spannungen und das Drehmoment ermittelt. Die Ströme im Rotor werden rotorpositionsabhängig angepasst. D.h. während der Kommutierungsphase ändert sie langsam ihre Richtung. Dazwischen hat sie einen konstanten (positiven oder negative) Wert. Während der Kommutierung folgt der Strom einer e-funktion, wobei für die Zeitkonstante die halbe Kommutierungsdauer und für den Kurzschlussstrom der 2.5-fache Nennstrom angenommen wurde. Der Maximalwert des Ankerstrom wird durch den Parameter m.current gesteuert. Der Erregerstrom wird nicht beeinflusst. D.h. bei einer Reihenschlussmaschine muss der Erregerstrom jeweils von Hand entsprechend angepasst werden. 2.2 Commutator PM-Motor, simplified -run_models('pm-motor_sim') Mit dieser Methode wird ein einfaches Modell der Gleichstrommaschine ermittelt. Der Koppelfaktor zwischen dem Ankerstrom und dem Moment, bzw. dem Drehmoment und der induzierten Spannung, wird für verschiedene Ankerströme ermittelt. Ausgehend von der induzierten Spannung und dem Ankerwiderstand werden dann die verschiedenen Kennlinien berechnet. Eine eventuell vorhandene Erregerwicklung wird bei dieser Berechnung nicht geändert. Damit ist diese Methode auch für die Analyse von Nebenschluss- bzw. fremd erregten Maschinen brauchbar. 2.3 Universalmotor, simplified -run_models('uni-motor_sim') Im Gegensatz zur vorhergehenden Methode, wird bei dieser Analyse auch der Strom in der Erregerwicklung angepasst. So wird wieder der Koppelfaktor bestimmt. Zusätzlich wird aber auch ProFEMAG AG Copy-right /5

5 noch die Flussverkettung aller Spulen ermittelt, womit wir die Gesamtinduktivität der Maschine erhalten. Ausgehend von diesem Element-Modell werden nun wieder die verschiedenen Kennlinien der Maschine berechnet. ProFEMAG AG Copy-right /5