Simulationsgestützte Auslegung von Lineardirektantrieben ... · Durchgängige Simulation und...

ANSYS ANSYS ConferenceConference & 29& 29thth CADFEM Users' Meeting 2011CADFEM Users' Meeting 2011OctoberOctober 1919--21, 2011 21, 2011 ICS Internationales ICS Internationales CongresscenterCongresscenter Stuttgart, GermanyStuttgart, Germany

Simulationsgesttzte

Auslegung

von Lineardirektantrieben

mit

MAXWELL, SIMPLORER

und ANSYS

Dipl.-Ing. Matthias Ulmer, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Schinkthe

Universitt Stuttgart, Institut fr Konstruktion und Fertigung in der

Feinwerktechnik, Stuttgart, Germany


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.

Elektrodynamische Lineardirektantriebe

3.

Grobdimensionierung von Antrieben

4.

Feindimensionierung mit Hilfe der FEM

5.

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

Krzere Entwicklungszeiten und Optimierungen ber Erfahrungswerte

hinaus notwendig

Dies ist nur durch simulative

Untersuchungen im Vorfeld mglich


Zielsetzung

Systematischer Ansatz zur Auslegung und Dimensionierung feinwerk- technischer Lineardirektantriebe

Ableitung analytischer Kenngren zur Vorabschtzung und

Grobdimensionierung

Entwicklung simulativer

Anstze zur Beschreibung von

interdisziplinren physikalischen Zusammenhngen


bersicht Lineardirektantriebe


Teilsysteme eines Linearantriebs

Grundstruktur eines elektrodynamischen Antriebs[Schinkthe, W.: Aktorik

in der Feinwerktechnik, Skript zur Vorlesung]

Thermisches Teilsystem

Mechanisches Teilsystem

Magnetisches Teilsystem

Elektrisches Teilsystem


Ablauf einer Motordimensionierung


Anforderungen und Bauformauswahl

Bauform und Bauraum

Verfahrweglnge

Maximale Geschwindigkeit, Dauergeschwindigkeit

Beschleunigung

Kraftkonstanz,

Maximalkraft, Dauerkraft

Positioniergenauigkeit

Stranflligkeit gegen uere Lastangriffe

Vom Motor ausgehende Strfelder

Einschtzung des Belastungskollektivs nach DIN-EN 60034-1 S1 Dauerbetrieb, S2 Kurzzeitbetrieb,

bis S10


Homopolarer Lineardirektantrieb

EisenrckschlussSpule

Magnete

Luftband

Motormodell mit Rckschluss, Magneten, Spule und Luftband.

Dieses Modell ist geometrisch nicht sehr komplex aufgebaut. Daher

wre eine Simulation des gesamten Motors hier mglich.

Bei greren und geometrisch detaillierteren

Antrieben ist dies nur mit

groem Rechen-

und Zeitaufwand lsbar.


Analytische Grobdimensionierung

Festlegung der Werkstoffauswahl

Prfung des verfgbaren Bauraums

Bestimmung der bentigten Kraft

Definition des Wickelfensters und der Spulengeometrie auf Basis der

bentigten Kraft

Dimensionierung und Auswahl der Magnete

berschlgige Bestimmung der Rckschlussgeometrie

Ergebnis:

Erstes Geometriemodell mit Werkstoffkenndaten und berschlgigen Berechnungen der Kraft-Weg-Kennlinie und der Verlustleistung.


Feindimensionierung mit Hilfe der FEM

Mglichkeiten zur simulativen

Betrachtung:

Magnetisch-statische Auslegung

Magnetisch und elektrisch transiente

Betrachtung

Kopplung mit dem thermischen Teilsystem

Systembetrachtung im Simplorer, Einbeziehung des mechanischen

und des elektrischen Teilsystems

Ziel:

Optimierung des Geometriemodells hinsichtlich magnetischen, elektrischen, mechanischen und thermischen Parametern. Bercksichtigung der dabei auftretenden physikalischen Zusammen-

hnge

der unterschiedlichen Domnen.



Definition der Spulengeometrie

Dimensionierung und Auswahl der Magnete

Konstruktive Festlegung der Rckschlussgeometrie

Bestimmung der Luftspaltinduktion

Bestimmung der Flussdichte im Rckschluss

Heraus Hinein



Position in mm

Kraf

t in

N

Kraft HerausKraft Hinein

Ermittlung des Kraft-Weg-Verlaufs:


Magnetisch und elektrisch transiente

Betrachtung

Motion-Band

in Maxwell zur Realisierung der Bewegung

Abbildung des dynamischen Verhaltens fr unterschiedliche

Ansteuerfrequenzen


Thermisch-transiente

Betrachtung -unidirektional-

EM

THERM

Export der Berechneten Verlustleistungen aus Maxwell

Direkte unidirektionale Kopplung mit Ansys

mglich

Aufbringung der Wrmegenerationsrate durch Meshmapping, dadurch unterschiedliche Vernetzungen mglich


Berechnung der Verlustleistung

Die ohmsche Verlustleistung wird nach folgendem Prinzip in Maxwell berechnet:

Dabei wird allerdings der Fllfaktor der Spule nicht bercksichtigt.

Die reale ohmsche Verlustleistung berechnet sich unter Bercksichtigung des Fllfaktors wie folgt:

==VV

dVJJdVJEPr

rrr

Spule

Cu

AAf =

( )fPV

fJfV

fJf

J

VJJP SimSimSimSimSimSim

CuCuCu

Real ====

2



Betrachtung


Definition der thermischen Randbedingungen

Symmetrieflchen

Vorgabe der Konvektion in Abhngigkeit der Temperatur:


Vorgabe der thermischen Randbedingungen

LackLuftKupferSpule AAAA ++=

ASpule

Anteilige Berechnung der Materialeigenschaften:

Dichte

Wrmeleitfhigkeit

Isobare Wrmekapazitt cP

Simulationsmodell Realitt, ideal gewickelt

Bercksichtigung der Spule im Modell als Vollmaterial mit fiktiven Materialeigenschaften entsprechend dem verwendeten Kupferdraht.


Ergebnis der thermisch-transienten Betrachtung



Betrachtung -bidirektional-

Unidirektionale Kopplung oft nicht ausreichend

Bisher noch nicht als Maxwell-Mechanical-Kopplung

mglich

Dazu EMAG-Mechanical-Kopplung

notwendig

Bewegte lineare Modelle in Ansys

nur sehr schwer umsetzbar

EM

THERM

physics-loop

TEMP, dTLDREAD HGEN)1(20 += CURR

nderung des elektrischen Widerstands in Abhngigkeit der Temperatur:


Systemmodellierung im Simplorer

Einbindung eines ordnungsreduzierten Modells

Erweiterte Mglichkeiten zur Realisierung der elektrischen Ansteuerung gegenber dem Circuit-Editior

in Maxwell

Anbindung der mechanischen Lasten und Randbedingungen

Sehr schnelle Simulationszeit von wenigen Sekunden

Dadurch schnelle Berechnung von einer Vielzahl an Varianten


Systemmodellierung im Simplorer

Zustzliche Bercksichtigung eines elastischen Anschlags

Implementierung der Ergebnisse aus einer Modalanalyse in Ansys

Mglichkeit zur transient-transient

Kopplung mit Maxwell

Bei 3D aber wieder erhhte Rechenzeit notwendig


Zusammenfassung

Durchgngige Simulation und Optimierung von Lineardirektantrieben

mit Maxwell, Ansys

und Simplorer

mglich.

Physikalische Zusammenhnge zwischen magnetischem,

elektrischem, thermischen und mechanischem Teilsystem knnen

abgebildet werden.

Durch gekoppelte Simulationen knnen die physikalisch

zusammenhngende Effekte unterschiedlicher Teilsysteme

visualisiert werden.

Die Entwicklungszeit kann dadurch massiv verkrzt werden. Der

erste Prototyp ist bereits meist sehr nah am fertigen Produkt


Vielen Dankfr

Ihre Aufmerksamkeit!

Herzliche Einladung zum Arbeitskreis Elektromechanik!16.00

17.30 Uhr

Simulationsgesttzte Auslegung von Lineardirektantrieben mit MAXWELL, SIMPLORER und ANSYSFoliennummer 2GliederungMotivationZielsetzungbersicht LineardirektantriebeTeilsysteme eines LinearantriebsAblauf einer MotordimensionierungAnforderungen und BauformauswahlHomopolarer LineardirektantriebAnalytische GrobdimensionierungFeindimensionierung mit Hilfe der FEMMagnetisch-statische AuslegungMagnetisch-statische AuslegungMagnetisch und elektrisch transiente BetrachtungThermisch-transiente Betrachtung -unidirektional-Berechnung der VerlustleistungThermisch-transiente BetrachtungDefinition der thermischen RandbedingungenVorgabe der thermischen RandbedingungenErgebnis der thermisch-transienten BetrachtungThermisch-transiente Betrachtung -bidirektional-Systemmodellierung im SimplorerSystemmodellierung im SimplorerZusammenfassungFoliennummer 26

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