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ANSYS ANSYS ConferenceConference & 28& 28thth CADFEM Users' Meeting 2010CADFEM Users' Meeting 2010November 3November 3--5, 2010 5, 2010 EurogressEurogress Aachen, GermanyAachen, Germany
Dreidimensionale transient thermische Analyseeines Lineardirektantriebs mit MAXWELL und
ANSYS
Dipl.-Ing. Matthias Ulmer, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schinkthe
Universitt Stuttgart, Institut fr Konstruktion und Fertigung in der
Feinwerktechnik, Stuttgart, Germany

Vorstellung
Dipl.-Ing. Matthias Ulmer
Institut fr Konstruktion und Fertigung in der FeinwerktechnikUniversitt Stuttgart
Arbeitsgebiete: Grundlegende Untersuchungen zur Dimensionierung von
Lineardirektantrieben
Betrachtung des thermischen Verhaltens von Antrieben
FEM-Simulation mit MAXWELL und ANSYS
Schaltungssimulation mit Matlab/Simulink

1. Motivation und Zielsetzung
2. Grundlagen
3. Berechnung der Verluste
4. Thermische Analyse
5. Experimentelle Verifikation
6. Zusammenfassung und Ausblick
Gliederung

Motivation
Strkere Verbreitung des Einsatzes von
Lineardirektantrieben
Groe Variantenvielfalt mglich
Keine Anpassung durch Getriebe wie bei rotatorischen
Motoren mit rotations-translations-Umformern mglich
Antriebe mssen auf die jeweiligen Anforderungen
kostengnstig ausgelegt und dimensioniert werden
Dies ist nur durch simulative Untersuchungen im Vorfeld
mglich

Zielsetzung
Betrachtung eines elektrodynamischen Lineardirektantriebs
bei vorgegebenen Verfahrprofilen
Bestimmung der relevanten Verlustleistungen im Antrieb
Thermische Auslegung unter Bercksichtigung bei
unterschiedlichen Randbedingungen
Verifikation der Simulation durch Messungen

GrundlagenAbstrahierte Teilsysteme im Antrieb
Grundstruktur eines elektrodynamischen Lineardirektantriebs
Thermisches Teilsystem
Mechanisches Teilsystem
Magnetisches Teilsystem
Elektrisches Teilsystem

GrundlagenElektrodynamisches Wirkprinzip
Motion-Band
Rckschluss mit Magneten
BvqF Lorentz =
IlBFLorentz =
Rckschluss mit Spulen
Allgemein:
Vereinfacht:
Dreistrngiger heteropolarer elektrodynamischer Antrieb
Wirkprinzip:

GrundlagenAnsteuerung des Antriebs
Durch heteropolare Bauart des Antriebs sind groe Verfahrbereiche mglich
Positionsabhngige Kommutierung notwendig Verwendung einer Pulsweitenmodulierten Ansteuerung der
drei Spulen
fPWM > 30 kHz

Verlustleistungen in Lineardirektantrieben
RHysWOhmV PPPPP +++=
Aufteilung der Verlustleistung in folgende Teile:
PV : GesamtverlustleistungPOhm : ohmsche VerlustleistungPW : Wirbelstromverluste (Bewegung / PWM)PHys : HystereseverlustePR : Reibungsverluste

Verlustleistungen in Lineardirektantrieben
vFP RR = NR FF =
Reibungsverluste:
Wirbelstromverluste:
Hystereseverluste:
223
241
= BwhlbPW
+
= BdHWHys 2maxmaxmax = HysFEHys WVfP mit
mit
Ohmsche Verlustleistung
SpuleOhm RiP =2

Quasistatische Analyse in MAXWELL
Berechnung einer Kraft-Weg-Kennlinie
Bestimmung von magnetischen Feldverlufen
Plot ber das senkrechte B-Feld zwischen +/- 1.0 Tesla

Transiente Analyse mit PWM-Ansteuerung
Vorgabe eines PWM-Signals in MAXWELL und MATLAB
Vergleich des Stromverlaufs mit Sinussignal
Transiente Simulation eines Anfahrvorgangs
Berechnung der Verluste fr ein vorgegebenes
Verfahrprofil

Ergebnisse der transienten Analyse
Stromverlauf kann vereinfacht als Sinussignal verwendet werden

Berechnung der Verluste
Wirbelstromverluste durch PWM-Signal knnen im Vergleich zu den ohmschen Verlusten vernachlssigt werden

Strom- und Geschwindigkeitsverlufe im oszillierenden Betrieb
Oszillierender Betrieb:v
Der Motor fhrt ein sinusfrmiges Wegsignal mit vorgegebener Maximalgeschwindigkeit ab
Es knnen unterschiedliche Amplituden und Geschwindigkeiten bercksichtigt werden

Strom- und Geschwindigkeitsverlufe im oszillierenden Betrieb
Berechnung eines konstanten mittleren Stromwertes fr ein vorgegebenes Verfahrprofil

Thermische Simulation
Vorgabe der berechneten Verlustleistungen aus MAXWELL und MATLAB als konstanter Mittelwert fr ein vorgegebenes Verfahrprofil
Definition der Randbedingungen: Konvektion & Strahlung an der Systemgrenze Wrmeleitung innerhalb der Spulen Wrmebergang zwischen Spulen und Rckschluss

Bestimmung der Konvektions- und Strahlungskoeffizienten
Definition der Konvektion an der Systemgrenze Abhngig von der Geometrie, Strmungsgeschwindigkeit
und der Temperaturdifferenz an der Systemgrenze Ermittlung ber dimensionslose Kennzahlen der
hnlichkeitstheorie und den entsprechenden Korrelationsgleichungen in Abhngigkeit der Temperatur
Nur gltig fr ein im Vorfeld definiertes Verfahrprofil

Freie Konvektion an einer senkrechten Wand

Wrmeleitung in der Spule
Ziel: Bercksichtigung der Wrmeleitung innerhalb der Spule
Spule wird als Volumenkrper abgebildet, einzelne Windungen im dreidimensionalen abzubilden ist zu aufwndig
Mglichkeit durch Modifikation der Materialeigenschaften Entwicklung eines fiktiven Materials mit anisotropen
thermischen Eigenschaften

Wrmeleitung in der Spule
Luft
Lack
Kupfer
.Q
.Q
Luft
LackKupfer
Kupfer Lack
.Q
.Q
LuftKupfer Lack
In Stromrichtung:
Senkrecht zur Stromrichtung:

ANSYS ANSYS Conf

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