Allgemeines und mit FEMAG

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1 Dimensionierung von PM-Maschinen, Allgemeines und mit FEMAG Prof. Dr.-Ing. habil. K. Reichert, Dipl.-Ing. R. Helmer 1 FEMAG Anwender-Treffen 2008

2 Gliederung Einführung: Auslegungsprozess allgemein Automatisierte Dimensionierung von PM- Maschinen Automatisierte Erstellung von FEM- Modellen in FEMAG Ausblick: Automatisierte Modifikation von FEM- Modellen in MAKRO_AUTO Nachrechnung und Feinanalyse mit FEMAG-DC 2 FEMAG Anwender-Treffen 2008

3 Der Auslegungsprozess 3 FEMAG Anwender-Treffen 2008

4 Auslegungsprozess : Grobdimensionierung Dimensionierung von PM- Maschinen: Gegeben: Leistung P N, Leistungsfaktor cos( ϕ ) Drehmoment T, Spannung U Frequency f N, Drehzahl n Anzahl der Phasen m 1 Mittlere Schubkraftdichte f sav [kn/m²] Statornutzahl t t Q, Maschinentopologie i Gesucht: Bohrungsdurchmesser D i, Blechpaketlänge Fe l Außendurchmesser D a, Wellendurchmesser D i2 Luftspalt-, Zahn- und Jochinduktion B δ,b z,bj Induzierte Spannung U i, Strangwindungszahl w 1 Bemessungsstrom I N, Nutquerschnitt F NS Zahnbreite und -höhe b z, h z Magnethöhe h M 4 FEMAG Anwender-Treffen 2008

5 Auslegungsprozess allgemein: 1.) Input: Mittlere Schubkraftdichte: f sav Verhältnis: λ = l / τ = 2pl / πd p Typische Werte für λ = l / τ = 2 pl / π D Typische Werte für sav f [kn/m²] Gleichstrommaschinen : 0,5 1 Kleine Synchronmaschinen: 0,7 2,5 Asynchronmaschinen : 0,6 2,8 Große Synchronmaschinen: hi > 2 p 2pP i D = 3 i λnf sav 5 FEMAG Anwender-Treffen 2008

6 Auslegungsprozess allgemein: Drehmoment und Blechpaketlänge: 2 2 P i π D i l n f sav T = = 2πn 2πn Di l Fe = T /( πdf i sav ) 2 Luftspaltinduktion des rechteckförmigen PM- Feldes: Input: B = 0, 7B B = 1, 1T B = 0, 77T δ r r δ b pe pe rel. Polbreite: 0, 8 0, 95 τ p Grundwelle der Luftspaltinduktion und zugehöriger Fluss: b pe 4 π p Bδ1 = Bδ sin( ) π 2 τ p 2 φ = τp lb δ π FEMAG Anwender-Treffen 2008

7 Auslegungsprozess allgemein: Grundwellenwicklungsfaktor beliebiger Wicklungsausführungen: a) Zonenwicklungsfaktor (Periodizität der Wicklungsfaktoren): t = ggt ( p,q ) ' Q Q = t ' * Q 1 π ' q = Q gerade: sin( ) 2m * m ξz,p = ξz,p = 2 1 ' 1 * ungerade: Q q = * 1 π m q sin( ) * 1 mq 2 ' Q 1 2 b) Sehnungswicklungsfaktor: c) Resultierender Wicklungsfaktor p W π ξs,p = sin( ) p τ 2 ξp = ξz,p ξs,p p 7 FEMAG Anwender-Treffen 2008

8 Auslegungsprozess allgemein: Input: Bemessungsspannung U N -> geschätzt Spannungshaltende Windungszahl je Strang: w 1 = U i 2 2 πf ξφ p 1 Input: Wirkungsgrad η, Leistungsfaktor cos( ϕn ) U 0, 62 U / 3 i N Statorstrom: Strombelag: Stromdichte: P N I N = 2mw I π D 1 1 N i A m1 η cos( ϕn ) U A = J = N πd Q kq F Kontrolle Erwärmung: mit F NS :Nutquerschnitt 2 3 A J A / mm i k Q NS :Nutfüllfaktor 8 FEMAG Anwender-Treffen 2008

9 Auslegungsprozess allgemein: Input: Zahninduktion, Jochinduktion und Nutquerschnitt B Z,B J,F NS Statorblechschnittabmessungen: Zahnbreite: Zahnhöhe: Jochhöhe: b ds = π DB i Q B h φ 2Bl δ 1 hds = f (D i, δ,q,b ds,f NS ) js = z j Außendurchmesser: D = D + 2h + 2h a i ds js Fe Minimale Magnethöhe (Entmagnetisierung bei 4fachem Bemessungsstrom) Θ a m IN w ξ = 2 π 2p p h M Θ H a C security-factor 9 FEMAG Anwender-Treffen 2008

10 Magnetabmessungen: Magnetabmessungen: h M,b M : h M b M τ p Oberflächenmagnete : b M < 0.85 τ p,h M > 3 δ Eingebettete Magnete: h M > 3 δ, Magnethöhe h M bestimmt Betriebspunkt bpu : B M, H M Entmagnetisierungsgrenze: h M m 4 2 I N k 2 π 2 p H C W H c H M δ h M B r B M 10 FEMAG Anwender-Treffen 2008

11 Tests Entmagnetisierung: M -H [ka/m] M -H [ka/m] M M M M Leerlauf Partial demagnetization Belastung Complete demagnetization Transienter Kurzschluss 11 FEMAG Anwender-Treffen 2008

12 Optimierung Magnethöhe h M Rel. Magnethöhe hm Drehmoment Reaktanz Xd Entmagnetisierung Rel. Magnethöhe 55 % 12 FEMAG Anwender-Treffen 2008

13 Automatisierte Dimensionierung von PM-Maschinen Maschinen Notwendige Schritte zur Erstellung von FEM Modellen elektrischer Maschinen: Außenpol- oder Innenpolläufer? Wie viele Pole müssen mindestens simuliert werden? (Urwicklung!) t = ggt(q/p) -> p sim = 2p / t Node Chains für Stator und Rotor definieren Ggf. Node Chains für Kühllöcher und Welle definieren Subregions für Stator und Rotor definieren Node Chains inkl. Subregions vervielfältigen Material und Länge in z- Richtung jeder Subregion definieren Boundary conditions für das Vektorpotential definieren Wicklungen einlegen 13 FEMAG Anwender-Treffen 2008

14 Automatisierte Dimensionierung von PM-Maschinen Maschinen 14 FEMAG Anwender-Treffen 2008

15 Automatisierte Dimensionierung von PM-Maschinen Maschinen 15 FEMAG Anwender-Treffen 2008

16 Automatisierte Dimensionierung von PM-Maschinen Maschinen Usermodifikation der vorausberechneten default-werte : 16 FEMAG Anwender-Treffen 2008

17 Automatisierte Dimensionierung von PM-Maschinen Maschinen Usermodifikation der vorausberechneten default-werte : 17 FEMAG Anwender-Treffen 2008

18 Automatisierte Erstellung von FEM- Modellen in FEMAG Automatisch generierte FEMAG Modelle: P = 1,5 kw; Q = 9; m 1 =3 18 FEMAG Anwender-Treffen 2008

19 Automatisierte Erstellung von FEM- Modellen in FEMAG Automatisch generierte FEMAG Modelle: P = 1,5 kw; Q = 36; m 1 =3 19 FEMAG Anwender-Treffen 2008

20 Automatisierte Erstellung von FEM- Modellen in FEMAG Ergebnisse der PM- Dimensioning Function als Textfile: 20 FEMAG Anwender-Treffen 2008

21 Ausblick: Automatisierte Erstellung von FEM- Modellen in FEMAG Automatisierte Modifikation der FEM- Modelle mit MAKRO_AUTO: 21 FEMAG Anwender-Treffen 2008

22 Ausblick: Automatisierte Erstellung von FEM- Modellen in FEMAG Automatisierte Erstellung von Grundwellenstatoren zur Berechnung charakteristischer Feldfaktoren oder für FEMAG AC Rechnungen 22 FEMAG Anwender-Treffen 2008

23 Nachrechnung, Feinanalyse 23 FEMAG Anwender-Treffen 2008

24 Nachrechnen und Feinanalyse mit FEMAG FE-Calculation and FEMAG Analytical EM-Design Parameter input Optimization -DC -AC -Transient El.-magnetic Fields PE-Simulation GP-FEM- => CAD Analysis: EM-FEM- Analysis: - Synchron.-Motor - BLDC-Motor - COM-Motor Motor -SR-Motor - Induction-Motor - Linear-Motor Magnetization Demagnetization EM-Models Performance characteristics 24 FEMAG Anwender-Treffen 2008

25 Aufgabenstellungen der Feinanalyse Auslegung des magnetischen Kreises und der Wicklungen Bestimmung der Betriebsparameter: U, I, cos ϕ, η Lastmoment, Lastpulsation und Rastmomentminimierung Verluste in den Wicklungen, im Eisen und in den Magneten Identifikation von Ld-Lq-Modellen für die Simulation Simulation der Magnetisierung und der Entmagnetisierung Simulation transienter Vorgänge, der Umrichterspeisung Finite 25 FEMAG Anwender-Treffen 2008 Elemente Methode

26 FE-Lösungen für El.-magnetische Feldprobleme 1) Quasistationäre FE-Analyse (mit Bewegung): F-DC + Magnetfelder, Flüsse, Spannungen, Induktivitäten + Kräfte und Drehmomente + Entmagnetisierung, Verluste im Eisen und Magneten 2) FE-Analyse im Frequenzberereich: F-AC + Wechselfelder, Flüsse, Spannungen, Reaktanzen, + Verluste, Kräfte, Drehmomente, Maschinenparameter 3) Zeitschritt - FE-Analyse: F-TS + Magnetfelder, Flüsse, Spannungen + Kräft und Drehmomente + Entmagnetisierung, i Verluste im Eisen und Magneten 26 FEMAG Anwender-Treffen 2008

27 Bewertung der Methoden: Quasistationäre FE-Analyse ist sehr effizient, beliebige Bewegungen und Belastungen : I, Fluss, P. Q.. Einschränkung: Wirbelstromverluste in gut leitenden Materialien FE-Analyse im Frequenzberereich: sinusförmige, qusistationäre Vorgäng, B(H)-Näherungen Zeitschritt - FE-Analyse: transiente Vorgänge, Einschwingen auf stationären Betrieb ist zeitaufwendig, Belastung eingeschränkt definierbar 27 FEMAG Anwender-Treffen 2008

28 FEMAG Lösungen: 2-dimensionale, quasistationäre DC - FE-Analyse mit schrittweiser hitt i Drehung (Bewegung) )d des Rotors. Wicklungen werden gespeist mit gegebenen Strömen abhängig von der Lage a des Rotors => Flüsse, Spannungen, Drehmomente, Verluste in lammeliertem Eisen und in den Magneten => Machinenparameter: Ld, Lq, ψ m Betriebskennlinien : T, I, U, P = f(n) AC- oder TS- FE - Analyse für Verlustberechnungen, nichtstationäre Vorgängen 28 FEMAG Anwender-Treffen 2008

29 Quasistationäre Analyse mit FEMAG-DC Schritt 1: Erzeugung eines geeigneten FE-Models Schritt 2: Eingabe der Vorgabewerte: I,.. Schritt 3: Schritt 4: Leerlauf-Simulation (Ströme = 0), Bewegung des Rotors Last-Simulation mit gegebenen Strömen = f(α), Bewegung des Rotors : Flüsse, Spannungen, Drehmoment Model Parameter Identifikation Ld, Lq, ψ m Verluste im Eisen, in den Magneten und Wicklungen Entmagnetisierungbeanspruchung i Schritt 5: Ermittlung der Betriebskennlinien : T, I, U, P = f(n) Schritt 6: Auswertung: Feldverlauf, Induktions-, Verlustverteilung Schritt 7: Simulation besonderer Betriebszustände: Kurzschluss, 29 FEMAG Anwender-Treffen 2008

30 FEMAG-DC Funktionen: 30 FEMAG Anwender-Treffen 2008

31 FEMAG-DC Funktionen: CAD-Parameter 31 FEMAG Anwender-Treffen 2008

32 Schritt 1: Erzeugung eines geeigneten FE-Models Motorelement: Nutmodel: 32 FEMAG Anwender-Treffen 2008

33 Schritt 2: Eingabe der Vorgabewerte: I,.. *** PM-Synchron-Motor *** Stromformen: Wdgs-connection: 0=open;1=star;2=delta 0.0 Nominal stator wdg.current(peak) [A]= A B C A B C Angle current vs. voltage Vp [Deg]= Skew angle [Deg] or displacement [mm]= 0.0 Number of skew steps: > 0:finite = 0.0 Temperature Magnet [Deg C]= Temperature Coeff, Br [%/Deg K]= Number of parallel Windings(>= 1) a = Radius air-gap center line(torq.)[mm]= 0.0 Effect. armature length [mm]= Number of Phases (>= 2) = Number of Pole pairs (>= 1) = Number of Poles simulated (>= 1) = Number of current steps( <=3 for sat) Rot-Motor:0.0; 0 Lin-Motor:2xTaupol[mm]= 0.00 Rotor speed [1/min] n): C A B File xxx.poc 3 : number of phases 1 : windings keys : phase angles : 2 x pole pitch sin 33 FEMAG Anwender-Treffen 2008

34 Schritt 3: Leerlauf-Simulation (Ströme = 0) M α α α Skew angle = 0 Quasistationär F - DC 1.order harmonic α 34 FEMAG Anwender-Treffen 2008

35 Schritt 4: Last-Simulation mit Strömen = f(α), M α α α α α 35 FEMAG Anwender-Treffen 2008

36 Schritt 5: Ermittlung der Betriebskennlinien 36 FEMAG Anwender-Treffen 2008

37 Schritt 6: Auswertung: Verlustverteilung FE-L [W/mm3].577E E E E E E E03.288E E E E E E E FEMAG - DC Version: Oct FEMAG Anwender-Treffen 2008

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 38 FEMAG Anwender-Treffen 2008