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Session: 9C

Thermische Analyse von Induktivitäten

basierend auf den CFD-Methoden

(Schaffner Deutschland GmbH)10/11. Oktober 2017 | Lemgo

© it‘s OWL Clustermanagement GmbH | 17.10.2017

Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse

Agenda

Abschlusspräsentation

Resümee und Ausblick


EinführungSchaffner Deutschland GmbH

▪ Hersteller von leistungsmagnetischen Filterkomponenten für die Schlüsselmärkte

▪ Traktion

▪ Antriebssysteme

▪ Erneuerbare Energien

▪ Tochter der Schaffner Gruppe mit dem Hauptsitz in Luterbach (Schweiz)

▪ Standort Büren

▪ Entwicklung und Vertrieb für die Division

Power Magnetics Europa

▪ Jahresumsatz (PM EU): 16 Mio. €

▪ Anzahl Mitarbeiter: 32


EinführungForschungspartner

Mitglied des Kompetenzzentrums für nachhaltige

Energietechnik (KET) sowie des Direct Manufacturing

Research Centers (DMRC)

Forschungsthemen:

➢ Transportphänomene in Mehrphasenströmungen

➢ Prozessintensivierung

➢ Kollonneneinbauten

➢ Kühlen und/oder Heizen von chemischen, mechanischen

und elektrischen Systemelementen

Prof. Dr.-Ing. habil.

Eugeny Kenig

Lehrstuhlinhaber und

Vorsitzender des KET

Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (FVT)

an der Universität Paderborn


EinführungMotivation/ Ausgangssituation für das Transferprojekt

Ausgangssituation:

➢ Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von Wickelgütern sind

maßgeblich abhängig von deren thermischer Belastung

➢ Die Vorausberechnung des Erwärmungsverhaltens basiert

heute auf Wärmequellennetzwerken unter der Annahme von

Wärmeübergangsziffern.

➢ Insbesondere bei hochintegrierten Systemen (z.B. in elektrischen

Bahnen) treten turbulente Strömungsverhältnisse auf.

➢ Die Vorhersage der Erwärmung und die Identifikation von lokalen

Heißstellen unterliegt großen Unsicherheiten (unbekannte

Strömungsverhältnisse insbesondere bei forcierter Kühlung).

➢ Strömungsmechanische Probleme sind in der Regel nicht

analytisch lösbar.

➢ Mittels der numerischen Strömungssimulation soll die

Erwärmungsvorhersage der Wickelgüter verbessert werden.


Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse


Agenda



Thermische Analyse von Induktivitäten basierend auf den CFD-Methoden

Zielsetzung

▪ Integration der numerischen Strömungsmechanik in die

bestehenden Berechnungsmethoden von Wickelgütern bei der

Schaffner Deutschland GmbH

▪ Anpassung geeigneter und am FVT bekannter

Modellierungsansätze für die Berechnung von Induktivitäten mit

forcierter Kühlung

▪ Validierung der Berechnungsmethoden durch Messungen bei der


▪ Seminar zu den Besonderheiten bei Durchführung von CFD-

Simulationen von Wickelgütern

▪ Eigenständige Durchführung von CFD-Simulationen bei der


Zielsetzung


Thermische Analyse von Induktivitäten basierend auf den CFD-Methoden

Vorgehensweise

AP 1: Herleitung eines geeigneten Modellierungsansatzes

- Auswahl eines Prüflings

- Bereitstellung von CAD-Daten

- Entwicklung eines Modellierungsansatzes

- Wahl der Modellgrenzen

- Ableiten eines CFD-Modells

- Durchführung von CFD-Berechnungen

- Durchführung von

Validierungsmessungen

- Temperatur / Verluste

- Bewertung von Berechnungsergebnissen

- Bewertung des Modellierungsansatzes

AP 2: Schaffung einer Validierungsgrundlage

- CFD – Schulung / Leitfaden zur CFD-

Berechnung von Wickelgütern

- Eigenständige Durchführung von

CFD-Simulationen

AP 3: Integration von CFD-Methoden in den Entwicklungsprozess

- Integration in den Entwicklungsprozess


Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse


Agenda



▪ Auswahl des Prüflings

▪ Auswahlkriterien

▪ Möglichst einfacher geometrischer Aufbau

▪ Möglichst geringer Modellierungsaufwand

▪ Genau erfassbare Verlustleistungsquelle

▪ Bekannte Eingangsgrößen für die Simulation

Netzfilterdrossel

Bauart Luftdrossel

Induktivität 2mH

Bemessungsstrom 310A

Frequenz DC

Kühlung AF

Ergebnisse


▪ Die Wicklung besteht aus einem geschichteten

Aufbau von Leiter und Isolationssystem

▪ Modellreduktion erforderlich, damit eine

CFD-Berechnung mit heutigen Rechnern

möglich wird

▪ Abbildung der Wicklung über effektive Material-

parameter

▪ Anwendung weiterer notwendiger

Geometrievereinfachungen

Ergebnisse


▪ Für die realitätsnahe Berechnung der Strömungsverhältnisse sind die realen

Umgebungseinflüsse auch in der Simulation zu berücksichtigen.

Ergebnisse


Größenverhältnisse - Abmessungen (mm)

800540 800 300144

616 1100

800Ø310 Ø180

4300

450

8°

Einlass Auslass„Forcierte“ Kühlung: 900m3/h ~3,3m/s

Berechnungsaufwand

Gitter: 23 Mio. Zellen

Dateigröße: ca. 7 GB

Rechenzeit: ca. 4 Std. (Parallelrechnung auf 256 Kerne Intel Xeon)

Ergebnisse


Geschwindigkeitsfeld mit Stromlinien (Schnittebene des Windkanals)

Ergebnisse

𝑢𝑧 (m/s)

Turbulente Strömung 3D: stationär, einphasig, inkompressibel, konstante Stoffdaten

Z-Richtung

▪ Die Berechnung erfolgt in zwei Schritten

1. Strömung

2. Wärmetransport


Ergebnisse

▪ Zur Validierung der CFD-Simulation wurde ein Wärmelauf durchgeführt.

Positionierung der TemperaturfühlerKurvenverlauf infolge Erwärmung durch Stromfluss


Ergebnisse

▪ Vergleich der Berechnungsergebnisse

▪ Maximale Differenz beträgt 7K im Vergleich zur Messung

▪ In Simulation: Guter Temperaturausgleich über die Lage geringer Einfluss des Messortes

Gleichmäßiges Temperaturprofil stellt sich ein

▪ Identifikation von thermischen Hotspots mittels CFD

Lage Messung in °C Punktprobe in

°C (laut Foto)

Differenz

in K

Mittelwert Lage

in °CMaximalwert

Lage in °C

2 68 61 7 60,3 61,5

4 56 59 3 58,5 59,6

6 53 56 3 56,3 58,8

8 62 66 4 67,25 70,5

Deckplatte

Hotspot


Ergebnisse

▪ Schulung der simulationsverantwortlichen Mitarbeiter der Schaffner Deutschland GmbH in

einem zweitägigen Workshop

▪ Teil 1:

Einführung/ Grundlagen

zulässige Modellvereinfachungen

▪ Teil 2:

Angeleitete Übungen zur CFD-Simulation

Selbstständige Simulationen

▪ Grundstein für die weitere Integration der CFD in den Entwicklungs-

prozess


Einführung

Zielsetzung

Ergebnisse


Agenda



▪ Berechnungs- und Modellreduktionsansätze für die CFD-

Simulation von Wickelgütern entwickelt

▪ Gute Übereinstimmung von Simulation und Messung

▪ Der Berechnungsaufwand ist für das Tagesgeschäft noch zu

hoch

▪ Große Rechengitter vonnöten (ca. 30Mio. Zellen)

▪ HPC ist Voraussetzung (> 256 Kerne)

▪ Erfahrungsaustausch bildet die Grundlage für die weitere

schrittweise Integration der CFD


Resümee

▪ Schaffung einer Arbeitsgrundlage für zukünftige Projekte –

z.B. Ausweitung auf komplexere Geometrien – Trafo mit

integrierter Drossel

▪ Reduktion des Rechenaufwandes z.B. durch Ausnutzung von

Symmetrien oder Fokussierung auf Modellausschnitte

▪ Umsetzung der entwickelten Modellierungsansätze für

einfache Problemstellungen

Ausblick

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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