Virtueller Produktentwicklungsprozess für Elektromotoren

Transkript

1 Virtueller Produktentwicklungsprozess für Elektromotoren Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Marc Christian Schöning aus Oberhausen Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Kay Hameyer Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Rolf Hanitsch Tag der mündlichen Prüfung: 18. Juni 2008 D82 (Diss. RWTH Aachen)

2

3 Aachener Schriftenreihe zur Elektromagnetischen Energiewandlung Band 4 Marc Schöning Virtueller Produktentwicklungsprozess für Elektromotoren D 82 (Diss. RWTH Aachen) Shaker Verlag Aachen 2008

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008 Copyright Shaker Verlag 2008 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Danksagung Der Stiftung Industrieforschung danke ich für die langjährige und groÿzügige Finanzierung der Forschungsarbeiten im Rahmen des Projektes ProMotor - Virtueller Produktentstehungsprozess für Elektromotoren. Den Firmen Baumüller, Bosch, Bosch Rexroth, ESW, Groschopp, Hanning, Metabo, SEW und Siemens möchte ich für Ihre Teilnahme im projektbegleitenden Industriekonsortium danken. Ihre fachlichen Ratschläge und der zuvorkommende persönliche Kontakt waren stets eine groÿe Hilfe. Auÿerdem gilt mein Dank Prof. Hameyer für die langjährige motivierende Betreuung meiner Arbeit am Institut für Elektrische Maschinen der RWTH Aachen sowie den sehr freundlichen und unkomplizierten persönlichen Umgang. Bedanken möchte ich mich ebenfalls bei Prof. Hanitsch vom Institut für Energieund Automatisierungstechnik der TU Berlin für die freundliche Übernahme des Koreferats.

6

7 meinen Eltern gewidmet

8

9 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Entwicklung des Auslegungsprozesses für elektrische Maschinen Anforderungen an heutige Auslegungsprozesse Stand der Technik Der Auslegungsprozess Verwendete Berechnungswerkzeuge Spezialisierte Softwarepakete Allgemeine Softwarepakete Fazit Ergebnisvisualisierung Entwicklungstendenzen Virtueller Produktentwicklungsprozess Bedeutung des Produktentwicklungsprozesses Vorteile des virtuellen Produktentwicklungsprozesses Produktmodellierung Produktphasen Anforderungen Elektromagnetische Auslegung Analytische Berechnung der PMSM Luftspaltinduktion Statorinnendurchmesser Statordimensionierung Rotorberechnung Verlust- und Leistungsberechnung Wicklungsschema Ergebnisse... 27

10 ii Inhaltsverzeichnis 4.2 Numerische Simulation Geometrie- und Netzerstellung Rotorbauformen Statorbauformen Finite Elemente Analyse Transiente Problemstellung Ergebnisse Induzierte Spannung Rastmoment Bestimmung des Lastwinkels Statorverluste Oberächenkraftdichte Kopplung der elektromagnetischen Berechnungsmethoden Gewählter Ansatz Verikation Thermische Auslegung Erwärmung in elektrischen Maschinen Analytisches Modell Wärmequellennetz Numerische Simulation Modellbildung Wärmeleitung Randbedingungen Dirichlet Neumann Robin Strahlung Dünne Übergangsschichten Modellierung des Luftspalts von elektrischen Maschinen Struktur des Problemlösers... 52

11 Inhaltsverzeichnis iii Implementierung der Randbedingungen Generierung von Oberächenelementen Strahlungsrandbedingung Thermische Übergangsschichten Luftspalt Verikation Eindimensionale analytische Anordnung Strahlung Dünne thermische Übergangsschichten Randbedingung für die Strömungserfassung Akustische Simulation Krafttransformation Strukturdynamische Simulation Körperschallmaÿ Akustische Simulation Schalldruckpegel Gesamtschallleisung Implementierung des virtuellen Produktentwicklungsprozesses Anforderungen UML Python Architektur Modellbildung für die elektrische Maschine Verwaltung der Daten Objekt-relationale Abbildung Dateibasierte Datenbank Struktur des Softwarekerns Manager Kalkulationsklassen Finite Elemente Simulation

12 iv Inhaltsverzeichnis 7.7 Modellierungssprache Grasche Benutzerschnittstelle GUI des Produktentwicklungsprozesses GUI für numerische Simulationsergebnisse Virtuelle Realität Denition Virtuelle Welt Immersion Sensorisches Feedback Interaktivität Gemeinschaftliche Umgebung Motivation Anforderungen Hardware Shutter Brille Holobench CAVE Implementierung VTK ViSTA Zusammenführung Anwendung Anwendung des virtuellen Produktentwicklungsprozesses DS56L Randbedingungen Auslegung Verikation Berechnung der Schallabstrahlung MBT201D Elektromagnetische Verizierung Thermische Verizierung

13 Inhaltsverzeichnis v 10 Bewertung Zusammenfassung Ausblick und weiterführende Arbeiten 123 A Magnetmaterialien 125 B Berechnungsmethoden 126 B.1 Analytisches elektromagnetisches Modell B.1.1 Statordimensionierung B Trapezförmige Nuten B Rechteckige Nuten B.1.2 Rotorberechnung B.1.3 Verlust- und Leistungsberechnung B.2 Analytisches thermisches Modell B.2.1 Wärmeübergang von Luft B.2.2 Thermische Widerstände B.2.3 Leitwertmatrix CMatrix und Vektordenitionen 134 D Quellcode 136 D.1 DTD Datei D.2 Modellierungssprache D.3 XRC Datei E Verwendete Formelzeichen 147 Literaturverzeichnis 153