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)
Aachener Schriftenreihe zur Elektromagnetischen Energiewandlung Band 4 Marc Schöning Virtueller Produktentwicklungsprozess für Elektromotoren D 82 (Diss. RWTH Aachen) Shaker Verlag Aachen 2008
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de 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 978-3-8322-7444-3 ISSN 1861-3799 Shaker Verlag GmbH Postfach 101818 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96-0 Telefax: 02407 / 95 96-9 Internet: www.shaker.de E-Mail: info@shaker.de
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.
meinen Eltern gewidmet
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Entwicklung des Auslegungsprozesses für elektrische Maschinen 5 2.1 Anforderungen an heutige Auslegungsprozesse... 5 2.2 Stand der Technik... 7 2.2.1 Der Auslegungsprozess... 7 2.2.2 Verwendete Berechnungswerkzeuge... 9 2.2.2.1 Spezialisierte Softwarepakete... 9 2.2.2.2 Allgemeine Softwarepakete... 10 2.2.2.3 Fazit... 10 2.2.3 Ergebnisvisualisierung... 10 2.3 Entwicklungstendenzen... 11 3 Virtueller Produktentwicklungsprozess 13 3.1 Bedeutung des Produktentwicklungsprozesses... 13 3.2 Vorteile des virtuellen Produktentwicklungsprozesses... 15 3.3 Produktmodellierung... 16 3.3.1 Produktphasen... 17 3.4 Anforderungen... 19 4 Elektromagnetische Auslegung 21 4.1 Analytische Berechnung der PMSM... 21 4.1.1 Luftspaltinduktion...... 21 4.1.2 Statorinnendurchmesser... 22 4.1.3 Statordimensionierung... 23 4.1.4 Rotorberechnung... 24 4.1.5 Verlust- und Leistungsberechnung... 25 4.1.6 Wicklungsschema... 26 4.1.7 Ergebnisse... 27
ii Inhaltsverzeichnis 4.2 Numerische Simulation... 28 4.2.1 Geometrie- und Netzerstellung... 29 4.2.1.1 Rotorbauformen... 29 4.2.1.2 Statorbauformen... 30 4.2.2 Finite Elemente Analyse... 31 4.2.3 Transiente Problemstellung... 32 4.2.4 Ergebnisse... 32 4.2.4.1 Induzierte Spannung... 32 4.2.4.2 Rastmoment... 33 4.2.4.3 Bestimmung des Lastwinkels... 34 4.2.4.4 Statorverluste... 36 4.2.4.5 Oberächenkraftdichte... 37 4.3 Kopplung der elektromagnetischen Berechnungsmethoden... 38 4.3.1 Gewählter Ansatz... 38 4.3.2 Verikation... 40 5 Thermische Auslegung 43 5.1 Erwärmung in elektrischen Maschinen... 43 5.2 Analytisches Modell... 44 5.2.1 Wärmequellennetz.... 45 5.3 Numerische Simulation... 46 5.3.1 Modellbildung...... 46 5.3.1.1 Wärmeleitung... 46 5.3.2 Randbedingungen... 48 5.3.2.1 Dirichlet... 48 5.3.2.2 Neumann... 49 5.3.2.3 Robin...... 49 5.3.2.4 Strahlung... 49 5.3.2.5 Dünne Übergangsschichten... 50 5.3.2.6 Modellierung des Luftspalts von elektrischen Maschinen... 51 5.3.3 Struktur des Problemlösers... 52
Inhaltsverzeichnis iii 6 6 6 5.3.4 Implementierung der Randbedingungen............ 54 5.3.4.1 Generierung von Oberächenelementen....... 55 5.3.4.2 Strahlungsrandbedingung............... 56 5.3.4.3 Thermische Übergangsschichten........... 57 5.3.4.4 Luftspalt........................ 58 5.3.5 Verikation............................ 59 5.3.5.1 Eindimensionale analytische Anordnung....... 59 5.3.5.2 Strahlung........................ 3 5.3.5.3 Dünne thermische Übergangsschichten........ 5 5.3.5.4 Randbedingung für die Strömungserfassung..... 7 6 Akustische Simulation 71 6.1 Krafttransformation........................... 71 6.2 Strukturdynamische Simulation..................... 73 6.2.1 Körperschallmaÿ......................... 74 6.3 Akustische Simulation.......................... 75 6.3.1 Schalldruckpegel......................... 77 6.3.2 Gesamtschallleisung....................... 77 7 Implementierung des virtuellen Produktentwicklungsprozesses 79 7.1 Anforderungen.............................. 79 7.2 UML.................................... 79 7.3 Python................................... 80 7.4 Architektur................................ 80 7.5 Modellbildung für die elektrische Maschine............... 81 7.5.1 Verwaltung der Daten...................... 83 7.5.2 Objekt-relationale Abbildung.................. 83 7.5.3 Dateibasierte Datenbank..................... 84 7.6Struktur des Softwarekerns....................... 85 7.6.1 Manager.............................. 86 7.6.2 Kalkulationsklassen....................... 87 7.6.3 Finite Elemente Simulation................... 87
iv Inhaltsverzeichnis 7.7 Modellierungssprache... 88 7.8 Grasche Benutzerschnittstelle... 88 7.8.1 GUI des Produktentwicklungsprozesses... 89 7.8.2GUI für numerische Simulationsergebnisse... 91 8 Virtuelle Realität 93 8.1 Denition... 93 8.1.1 Virtuelle Welt... 94 8.1.2Immersion... 94 8.1.3 Sensorisches Feedback... 95 8.1.4 Interaktivität... 95 8.1.4.1 Gemeinschaftliche Umgebung... 96 8.2Motivation... 96 8.3 Anforderungen... 98 8.4 Hardware... 99 8.4.1 Shutter Brille... 100 8.4.2Holobench... 101 8.4.3 CAVE... 101 8.5 Implementierung... 102 8.5.1 VTK... 102 8.5.2ViSTA... 103 8.5.3 Zusammenführung... 104 8.6 Anwendung... 104 9 Anwendung des virtuellen Produktentwicklungsprozesses 107 9.1 DS56L... 107 9.1.1 Randbedingungen... 107 9.1.2Auslegung... 108 9.1.3 Verikation... 108 9.1.4 Berechnung der Schallabstrahlung... 111 9.2 MBT201D-0027... 113 9.2.1 Elektromagnetische Verizierung... 113 9.2.2 Thermische Verizierung... 115
Inhaltsverzeichnis v 10 Bewertung 117 11 Zusammenfassung 121 12 Ausblick und weiterführende Arbeiten 123 A Magnetmaterialien 125 B Berechnungsmethoden 126 B.1 Analytisches elektromagnetisches Modell... 126 B.1.1 Statordimensionierung... 126 B.1.1.1 Trapezförmige Nuten... 127 B.1.1.2 Rechteckige Nuten... 128 B.1.2 Rotorberechnung... 128 B.1.3 Verlust- und Leistungsberechnung... 129 B.2 Analytisches thermisches Modell... 130 B.2.1 Wärmeübergang von Luft... 130 B.2.2 Thermische Widerstände... 130 B.2.3 Leitwertmatrix... 133 CMatrix und Vektordenitionen 134 D Quellcode 136 D.1 DTD Datei... 136 D.2 Modellierungssprache... 137 D.3 XRC Datei... 143 E Verwendete Formelzeichen 147 Literaturverzeichnis 153