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antriebstechnik 8/2016

antriebstechnik 8/2016

KOMPONENTEN UND SOFTWARE

KOMPONENTEN UND SOFTWARE E-Maschinen-Akustik einfacher optimieren Berechnungsverfahren für elektromagnetische Kräfte erlaubt realistische Simulation Entwickler und Konstrukteure von Elektro motoren stehen vor dem Problem, dass sich die Geräuschursachen mit den vor handenen Standardverfahren kaum eindeutig zuordnen und daher nicht gezielt beheben lassen. Um hier differenzierte Aussagen zu ermöglichen, haben Experten eine Methodik entwickelt, mit der sich die Anregung durch die elektro magnetischen Kräfte realitätsnah berechnen und in einer gekoppelten Simulation die entsprechende Schall abstrahlung ermitteln lässt. Erfahren Sie mehr. P raktische Versuche bringen bei der Untersuchung akustischer Phänomene in der E-Maschinen-Entwicklung nur eingeschränkte Erkenntnisgewinne. „Hier spielen zu viele Einflussfaktoren gleichzeitig zu sammen, als dass die Einflüsse auf Basis von Messdaten eindeutig auseinandergehalten werden könnten“, erklärt Dr. Daniel Jung, Teamleiter im Bereich Simulation Antrieb bei ARRK|P+Z Engineering. Die Einfluss faktoren für die Anregungen isoliert zu betrachten, ist im Versuch nur teilweise möglich, extrem aufwändig und liefert keine absolut zuverlässigen Ergebnisse. Ohne die Ursache für bestimmte Geräuschentwicklungen zu kennen, bleibt daher zur Optimierung oft nur das Trial-and-Error-Prinzip, einschließlich der damit verbun- denen Kosten für immer neue Prototypen und Tests – bei dem am Ende dennoch nicht gesichert ist, dass die Leistungseinbußen oder das zusätzliche Gewicht, mit dem die geforderten akustischen Eigenschaften erreicht werden, wirklich notwendig sind. Akustik erfordert andere Berechnung Eine günstigere und effizientere Lösung wäre es, die Akustik in einer früheren Konzeptionsphase zu simulieren. Dabei ließen sich einzelne Faktoren gezielt anpassen und verschiedene Parametersätze erproben, um auftretende Effekte genau zu untersuchen. Problematisch 01 02 01 Der Stator eines E-Antriebs schwingt durch seine Verzahnung wie ein Musikinstrument 02 Das Berechnungsverfahren betrachtet die gesamte Oberfläche 54 antriebstechnik 8/2016

KOMPONENTEN UND SOFTWARE an elektrischen Motoren ist jedoch, dass die Anregungen aus den wirkenden elektromagnetischen Kräften eine wesentliche Rolle für die Schallabstrahlung spielen. Die Standardberechnungsmethoden zur Bestimmung der elektro ma gne tischen Kräfte, basieren auf Verfahren zur Drehmomentenberechnung und nutzen oft eine vereinfachte Methode der Berechnung: U. a. werden dabei die Kräfte zwischen Rotor und Stator über ein Ringintegral berechnet, welche sowohl die tatsächliche Kontur als auch den tatsächlichen lokalen Verlauf der Kräfte nicht berücksichtigt – eine Vereinfachung, die für die Drehmomenten be rech nung völlig ausreichend ist. Diese etablierten Verfahren wurden inzwischen auch zur Simulation der Schallabstrahlung übernommen, ohne ausreichend zu hinterfragen, wie genau die erzielten Ergebnisse sind. „Tatsächlich erinnert der gängige Aufbau des Stators mit seinen bürstenartigen Zähnen aber an ein Musikinstrument. Jeder Zahn ist ein flexibles, schwingendes Element“, wendet dagegen Peter Huck, einer der Experten für Elektromagnetik bei ARRK|P+Z Engineering, ein. „Hinzu kommt, dass die übliche Methodik lediglich Kräfte normal zur Oberfläche berücksichtigt, während in der Akustik auch tangentiale Kräfte und Bewegungen einen erheblichen Einfluss haben können.“ Der Elektroingenieur entwickelte daher ein Verfahren, um die elektro mag netischen Kräfte entlang der gesamten Oberfläche berechnen und auf ein Strukturmodell übertragen zu können, anhand dessen sich Schwingungen und Schallabstrahlung simulieren lassen. Berechnung der notwendigen Kräfte Um eine geeignete Datengrundlage für die Kopplung von Magnetik und Struktur zu schaffen, dient als Berechnungsbasis der Kräfte die Maxwell’sche Stresstensor-Methode. Diese betrachtet die Spannungen, die sich aus den Wechselwirkungen von atomaren Ladungsträgern und magnetischen Feldern ergeben und sich an den Grenzflächen magnetisch leitender Mate rialien als mechanische Kräfte äußern. Das erlaubt es, die Kraftdichten an der Ober fläche des Stators mit verringertem Einfluss der im Regelfall mit starken Unsicherheiten behafteten Größe der magnetischen Per meabilität zu bestimmen und somit die Ergebnisgüte zu erhöhen. Um die Kraftanregung zu errechnen, werden die aus der elektromagne tischen Feldverteilung folgende magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte an definierten Punkten entlang von Pfaden ausgelesen. Dabei ergibt sich ein enormes Daten volumen, das jedoch bereits durch die Transformation von der zeit- zur frequenzbasierten Abbildung – der entscheidenden Darstellung für die Anregung eines Körpers – mittels Fast-Fourier-Analyse (FFT) stark reduziert wird. Das verringert den Rechenaufwand und vereinfacht die weitere Handhabung, auch wenn die Datenmenge nach der FFT immer noch erheblich ist. Sollte es möglich sein, die elektromagne tische Berechnung zur Aufwandsreduktion auf eine 2-D-Simulation zu beschränken, müssen dazu die im 2-D-Raum ermittelten Größen noch auf den 3-D-Raum transferiert werden. Gekoppelte Simulation spart Arbeitsaufwand Damit sich die ermittelten Kräfte für eine Frequenzganganalyse am Strukturmodell verwenden lassen – was notwendig ist zur Berechnung der Schwingungsanregungen, aus denen wiederum die gesuchte akustische Abstrahlung abgeleitet werden kann – müssen die Daten zwischen den verschiedenen Berechnungsmodellen übertragen werden. Um den Rechenaufwand in einem vertret baren Rahmen zu halten, übernimmt das Mapping das Theseus-FE Transformer Modul, welches von ARRK|P+Z Engineering für der artige Aufgaben entwickelt wurde. Die Software kann zwischen unter schiedlichsten Ergebnisformaten übersetzen und auch das Mapping von Knoten auf Elemente, wie es für diese Anwendung benötigt wird, übernehmen. Auf diese Weise lassen sich die beiden ansonsten getrennten Simu lationsbereiche Elektromagnetismus und Strukturmechanik koppeln, wodurch sich ein einheitlicher und transparenter Simulationsprozess ergibt. Für die Praxis bedeutet das ein hohes Maß an Anwenderfreundlichkeit, da ein Großteil der Arbeit automatisiert ablaufen kann. „Trotz der großen Menge an Daten, die in die Berechnung einfließen, fällt nur wenig Arbeitsaufwand an, was das Verfahren gemessen an den Einsparungsmöglichkeiten für die Produktentwicklung sehr interessant macht“, erklärt Dr. Jung. Vereinfachung verfälscht Ergebnisse Daneben hat sich auch gezeigt, dass die erhöhte Rechenzeit bei der Betrachtung der gesamten Oberfläche von Stator und Rotor zur Bestimmung der magnetischen Kräfte durch die deutlich bessere Ergebnisqualität gerechtfertigt wird: Um zu ermitteln, inwieweit Vereinfachungen vertretbar sind und lokale Kräfte vernachlässigt werden können, verglich Huck am Beispiel einer perma nent erregten Synchronmaschine mit einem maximalen Drehmoment von 400 Nm und einer Höchstdrehzahl von 6 000 min -1 zwei unterschiedliche Detailgrade für die Ermittlung der auftretenden magnetischen Kräfte. Im Fall der neu entwickelten Methodik wurde die tatsächliche Geometrie des Stators einschließlich der Nuten zwischen den Zähnen betrachtet. Bei der bisher oft verwendeten Variante wurden dagegen ausschließlich die Kräfte am Luftspalt berücksichtigt, was Präzision bewegt KAPP NILES ist ein weltweit führender Hersteller von Maschinen und Werkzeugen zur Feinbearbeitung von Verzahnungen und Profilen. Technologien aus dem Hause KAPP NILES garantieren gleichermaßen Präzision und Wirtschaftlichkeit für die Herstellung anspruchsvoller Bauteile. So bringen KAPP NILES Kunden ihre Produkte präzise in Bewegung –zu Lande, zu Wasser und in der Luft. Zahnrad-Profilschleifmaschine ZP 24 • Profilschleifen von Verzahnungen • Weite Führungen und hohe Antriebsleistung • Elektr. Direktantrieb und optional Hydrostatik • Außen- / Innenverzahnungen und Sonderprofile • Höchste Genauigkeit für Marine bis Luftfahrt Halle 8 Stand 8D12/8D12.1 Callenberger Str. 52 | 96450 Coburg E-Mail: info@kapp-niles.com www.kapp-niles.com

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