TEAM 24: Nichtlinearer zeitlich transienter Rotationsprüfstand

Allgemeine Beschreibung des Problems

Dieses Problem dient als Benchmark für die zeitlich transiente elektromagnetische 3D-Simulation. Ein Prüfstand mit ähnlicher Konfiguration einer geschalteten Reluktanzmaschine besteht aus massivem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und ist in einem nichtmagnetischen Käfig montiert. Dieser Käfig dreht sich um eine Edelstahlwelle. Die Abmessungen des Prüfstands sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Dicke von Stator und Rotor beträgt 25,4 mm. Abbildung 2 zeigt die geometrischen Parameter jeder Polspule. Der Rotor ist in einem Winkel von 22 Grad geneigt [1]. Abbildung 3 zeigt ein 3D-Modell des simulierten Prüfstands in SOLIDWORKS.

Abbildung 1 - Abmessungen von Stator und Rotor.

Abbildung 2 - Abmessungen der Spulen.




Abbildung 3 - SOLIDWORKS-Modell des Prüfstands.

Zeitbereichs-EM-Simulation mit EMS für SOLIDWORKS

Das Transient Magnetic-Modul von EMS dient zur Berechnung und Visualisierung von Magnetfeldern, die sich über die Zeit ändern. Diese Felder werden typischerweise durch Strom- oder Spannungsstöße verursacht. Diese Art der Analyse kann linear oder nicht linear sein. Es geht auch auf Wirbelströme, Leistungsverluste und magnetische Kräfte ein.

• Erstellen Sie eine neue transiente magnetische Studie
• Wenden Sie die richtigen Materialien auf alle Teile an
• Legen Sie eine geeignete Spule (spannungs- oder stromgesteuert) mit der richtigen Erregung an.
• Führen Sie die Simulation aus und sehen Sie sich die Ergebnisse an
  

Materialien

Nach dem Erstellen einer transienten Magnetstudie besteht der nächste Schritt darin, jedem Bauteil Material zuzuweisen.

Der Stator und der Rotor bestehen aus EN9-Stahl. Es zeichnet sich durch eine elektrische Leitfähigkeit von 4,54 e + 6 S/m und eine BH-Kurve aus, die in der folgenden Abbildung 4 dargestellt sind. Die Spulen bestehen aus Kupfer mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 57,7e + 6 S/m. Alle anderen Teile werden mit Luft beaufschlagt.

Abbildung 4: Gemessene anfängliche Magnetisierungskurve [1].

Spulenanregung

Abbildung 5 - Eingangsstrom für jede Wicklung.

Zur Berechnung der am Rotor erzeugten Magnetkraft und des Drehmoments wird eine virtuelle Arbeit am Rotor definiert.

Gittergewebe

Die Netzqualität ist für jede FEM- Simulation von entscheidender Bedeutung. Die Ergebnisgenauigkeit und die Lösungszeit hängen stark von der Maschenweite ab. Mit EMS kann der Benutzer die Maschengröße von Volumenkörpern und Flächen über die Netzsteuerungsfunktion steuern. In diesem Beispiel werden mehrere Netzsteuerelemente angewendet, wie in Tabelle 1 gezeigt. Abbildung 6 zeigt das Netzmodell.

Tabelle 1: Angewandte Netzkontrollen

Abbildung 6 - Maschenmodell.

EMS-Ergebnisse

Sobald die Lösung fertig ist, werden die folgenden Ergebnisse erstellt: magnetische Flussdichte, magnetische Feldstärke, Wirbelstrom, Induktivität, Impedanz, Flusskopplung, Strom, induzierte Spannung, Kraft, Drehmoment und Verluste usw.

Die Figuren 7 und 8 zeigen jeweils Streifen- und Vektordiagramme der magnetischen Flußdichte im Modell zu zwei Zeiten - 0,24 s und 0,195 s. Der sowohl am Stator als auch am Rotor induzierte Wirbelstrom ist in Abbildung 9 aufgetragen.

Abbildung 7 - Streifenplot der magnetischen Flussdichte bei 0,24 s.





Abbildung 8 - Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte bei 0,195 Sekunden im mittleren Abschnitt des Modells.





Abbildung 9 - Wirbelstromdichte bei 0,17 Sek.

Abbildung 10 zeigt einen Vergleich der Drehmomentschwankungen zwischen den Ergebnissen von EMS und TEAM 24. Wir finden aus dem Diagramm, dass das EMS-Ergebnis eine gute Übereinstimmung mit dem verglichenen Benchmark zeigt.

Abbildung 10 - Drehmomentvergleich

Fazit

Verweise