Elektrotechnisches Institut (ETI)

Kopplung von aerothermischen Simulationen mit elektromagnetischen Entwürfen bei Elektromotoren

  • Typ:Diplomarbeit
  • Datum:Abgeschlossen
  • Betreuer:M. Sc. Bo Zhang
  • Bild:

    Salmane Zakaria

  • Motivation:
    Im Entwicklungsprozess von elektrischen Antriebsmaschinen werden für den Neuentwurf Simulationswerkzeuge eingesetzt, die mithilfe der Maxwellschen Gleichungen Aussagen zum Arbeitsverhalten der Maschine geben, andererseits Aussagen treffen zu der maximal auftretenden Temperatur.
    Bei stetig steigenden Materialpreisen ist es deshalb erforderlich, bei minimalem Materialeinsatz eine hohe Ausnützung des Motors zu erreichen. Die Ausnützung kann soweit gesteigert werden, bis die maximale zulässige Temperatur der Wicklung erreicht ist. Da die Feldstärke der Magnete und der Widerstand der Wicklung temperaturabhängig sind, müssen diese für eine exakte Elektromagnetische Simulation bekannt sein.
    Um die auftretenden Temperaturen berechnen zu können, müssen die Verluste bekannt sein. Diese werden im CFD Werkzeug den jeweiligen Bauteilen zugeordnet. Deshalb ist für eine exakte Berechnung der auftretenden Temperaturen im Motor und der Berechnung des Drehzahl-Drehmomentverhaltens eine Kopplung der beiden Softwaretools notwendig.
    Ziel dieser Arbeit ist es nun, die direkte Übergabe der elektrischen Verluste in das CFD Simulationsprogramm.

    Arbeitsschritte:

    ● 1. Einarbeitung in die theoretischen Grundlagen der Wärmeübertragung
    ● 2. Einarbeitung in CFD und CAD Software
    ● 3. Evaluierung der grundsätzlichen Kopplungsmöglichkeiten zwischen den Berechnungsprogrammen SPEED und StarCCM+
    ● 4. Erarbeitung und Bewertung von Lösungen zur Ergänzung fehlender Elemente bzw. Baugruppen wie z. B. Wickelköpfe, Lagerschilde, Kühlgeometrien oder Fluidvolumina. Hierbei soll im integrierten CAD-Modul der CFD-Software ein Parametrisches Modell erstellt werden, welches ausgehend von den elektromagnetisch aktiven Bauteilen, die für die Entwärmung wesentlichen Bauteile erstellt.
    ● 5. Umsetzung eines Prozesses zur automatischen und durchgängigen Modellerstellung und -analyse am Beispiel eines Außenläufers mit Zahnspulenwicklung. Das im Schritt 4 erstellte Modell wird für allgemeingültige Außenläufergeometrien aufgebaut. Da dies nicht über die GUI des CFD Tools möglich ist, muss hierfür ein Makro in JAVA programmiert werden. Für die Bewertung eines einzelnen Designs sollen die maximalen Temperaturen in den jeweiligen Bauteilen automatisch ausgewertet werden.
    ● 6. Bewertung der Grenzen der Anwendbarkeit (Parameterbereiche, Diskretisierungseinflüsse, Modellzuverlässigkeiten) ausgehend vom oben genannten Beispiel
    ● 7.Verifikation der Simulationsergebnisse am Beispiel einer statischen Motoranordnung einschließlich der Betreuung und Auswertung der Messung.
    ● 8. Dokumentation und Präsentation der Ergebnisse