Simulationsgestützte Auslegung elektrischer Maschinen

Vertiefte Analysen und virtuelle Inbetriebnahme elektrischer Maschinen
Die Entwicklung eines Elektromotors ist mehrschichtig und komplex? Mit modernen Simulationsverfahren können Sie neben der Elektromagnetik bereits in der ersten Konzeptphase auch thermische und mechanische Effekte berücksichtigen. Im Seminar steigen Sie Schritt für Schritt in die konzeptionelle Auslegung einer elektrischen Maschine ein. Sie erlernen die Verfahren zur Berechnung der einzelnen physikalischen Domänen und deren Einsatzmöglichkeiten. Ebenso berechnen Sie gängige Kennlinien und Kennfelder, sowie das multiphysikalische Motorverhalten während eines Fahrzyklus. Ein weiterer Schwerpunkt des Seminars ist die Automatisierung der erlernten Workflows durch die Nutzung eines Optimierungssolvers.
Nach dem Seminar berechnen und bewerten Sie mit Motor-CAD verschiedene Kenngrößen für elektrische Maschinen. Schnell ermitteln Sie die Maximalmoment- und Dauermoment-Kennlinie, das Wirkungsgradkennfeld und Fahrzyklen. Automatisierte Workflows helfen Ihnen, Motorendesigns effizient zu optimieren.
Voraussetzungen Simulationskenntnisse sind nicht notwendig.
Ingenieure und Konstrukteure, die elektrische Maschinen designen, entwickeln oder sich mit den unterschiedlichen Aspekten der Auslegung und dem zuverlässigen Betrieb beschäftigen.

Montag, 17. bis Mittwoch, 19. Juli 2023
9.00 bis 12.15 und 13.45 bis 17.00 Uhr

Tag 1: Themenschwerpunkt Elektromagnetische Berechnung

Grundlegende Einführung in Motor-CAD und seine Module
– Simulationsplattform zur Berechnung elektrischer Maschinen
– Definition von Geometrie, Materialien und Wicklung
– Berechnung des Drehmoments und Interpretation der Ergebnisse

Elektromagnetische Simulation mit Motor-CAD Emag: Grundlage der Motorenauslegung
– Rastmomentberechnung
– Bestimmung von Maschinenparametern, wie z.B. Induktivitäten
– Untersuchung von Entmagnetisierungseffekten

Kraftberechnung mit Blick auf die NVH Analyse und mechanische Analyse in der Designphase
– Kraftberechnung für einen und mehrere Betriebspunkte
– Auswertung der FEA Ergebnisse auf Integrationslinien
– Exzentrizitätsbetrachtung

Abschluss des elektromagnetischen Schwerpunktes durch AC Verluste und kurzer Blick in die mechanische Analyse
– Full FEA und Hybride AC Verlustberechnung
– von der Auslegung zur vertieften Analyse durch Maxwell 3D
– Was macht eigentlich Torque/Speed Curve in Emag?
– mechanische Analyse mit Motor-CAD Mech

Tag 2: Themenschwerpunkt thermische Simulation

Berechnung von Dauermoment, Maximalmoment und Wirkungsgrad-Kennfeldern mit Motor-CAD Lab
– reduziertes Modell der elektrischen Maschine 
– Berechnung von Maximalmoment-Kennlinie und Wirkungsgradkennfeld 
– Kopplung elektromagnetischer und thermischer Simulation zur Berechnung der Dauermoment-Kennlinie
– transiente thermische Erwärmung über einen Fahr- bzw. Lastzyklus (z.B. WLTP)
– Ausblick: Kopplung der eigenen Regelungsstrategie mit Hilfe von FMUs

Motor-CAD Therm: Grenztemperaturen in Wicklung und Magneten in Sekunden berechnen
– Vergleich thermischer Simulationsmethoden: Netzwerk versus FEM (Wärmeleitungsgleichung / CFD) 
– Grundlagen Thermisches Netzwerk: Knoten, Widerstände, Kapazitäten und Quellen
– Modellierung komplexer Statornuten mit Cuboiden
– stationäre und transiente Berechnung

Kühlkonzepte E-Motoren
– Theorie zu Konvektion, Strömungsnetzwerke und Dimensionsanalyse 
– passive Kühlung und Lüfterkühlung 
– Durchströmung des Motors, Nutkühlung und Wassermantel
– Ausblick: Oil Spray Cooling
– Verknüpfung der verschieden Kühlsysteme

Anpassung und Kalibrierung des thermischen Netzwerkes
– Kalibrierung des thermischen Netzwerkes
– Sensitivitätsanalysen zur Bestimmung wichtiger Parameter
– Erweiterung des thermischen Netzwerkes um ein Getriebe
– Export thermischer Matrizen und reduziertes Netzwerkmodell

Tag 3: Themenschwerpunkt Scripting, Automatisierung und Optimierung

Python-Grundlagen und erste Schritte
– Python – Syntax, Logik und Merkmale (Grundlagen für Programmier-Anfänger)
– thermische Simulation, das „Hello World” von Motor-CAD
– Scripting innerhalb von Motor-CAD

Automatisierung von Motor-CAD
– elektromagnetische Berechnung
– Custom Geometrie via DXF und Skript
– Vergleich Visual Basic, Matlab und Python
– Makro Record, Command List und Parameter List

Effiziente Methoden zur Optimierung eines Elektromotors
– Ansteuerung von Ansys Motor-CAD via ActiveX-Schnittstelle und Ansys OptiSLang
– Was sind Meta-Modelle – und wie kann ich damit übers Wochenende einen Motor optimieren?
– Erkennen der wichtigsten Stellschrauben für die Zielgrößen in der Optimierung

Automatisierte Workflows für die Optimierung
– Workshop: Aufbau eines Workflows zur Optimierung von Drehmoment und Rastmoment
– Durchführung der Optimierung
– Werkzeuge zur Bewertung der Ergebnisse
– Ausblick auf einen Workflow zur multiphysikalischen Auslegung eines Motors unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades und der Materialkosten