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Simulation Elektrischer Maschinen mit ANSYS

Prof. Dr. Aschendorf Institut EASI 24.10.2008

Prof. Dr. Bernd AschendorfProfessor für Elektrische Maschinen und SystemeProfessor of Electrical Machines and SystemsUniversity of Applied Sciences DortmundGermany

Simulation ElektrischerMaschinen mit ANSYSEinbindung eines Finite-Elemente-Tools zurUnterstützung von Lehrveranstaltungenzu Elektrischen Maschinen und Antrieben



Problem bei Lehrveranstaltungen zu Elektrischen Maschinen und Antrieben

• Lehrveranstaltungen zu Elektrischen Maschinen und Antrieben sind im allgemeinen für den Studierenden unverständlich, kompliziert und komplex

• Die vermittelten Inhalte sind im allgemeinen theoretischer Natur und nur selten multimedial unterstützt



Problem bei Lehrveranstaltungen zur Finite-Elemente-Methode

• Lehrveranstaltungen zur Finite-Elemente-Methode (Elektromagnetismus) haben einen Umfang von nur 6 SWS bei insgesamt 15 Wochen

• Hauptfokus liegt auf Theorie oder An- wendung am Beispiel von Ansys und der Vermittlung der Funktionalität des Tools Ansys zur Berechnung Elektrischer Maschinen und Systeme



Problem des Ansys Trainings

• Training zur Anwendung von Ansys besteht aus mindestens Grund- und Aufbauschulung (2 x 3-5 Tage) und 5 Tagen für die Anwendung von EMAG zuzüglich Nacharbeit während des Trainings und anschließend

• Das notwendige KnowHow wird hiermit kei- nesfalls aufgebaut

• Tipps und Tricks werden erst durch intensive Nutzung oder Austausch mit anderen Anwen- dern nutzbar



Problemlösung

• Aufbau eines geeigneten Unterstützungstools “EM-Praktikum” zur– Generierung multimedialer Feldbilder etc.– Begleitung eines Maschinenpraktikums– schrittweisen Generierung von Maschinenmodellen– gezielten Erlernung der APDL-Anwendung– Anwendung von UIDL-Menüs– bedarfsgerechten Lösung von Berechnungsauf-

gaben (induzierte Spannung, Kurzschluß, Anlauf, etc.)



Einbettung des Tools in Ansys



Einlesen von Maschinenparametern



Vorgehensweise am Beispiele eines Einphasentransformators

• Die Vorgehensweise von EM-Praktikum ist klar durch ein UIDL-Menü vorgegeben

• Die einzelnen Prozeßschritte können durch Interpretation der APDL-Programme nachvollzogen werden

• APDL-Programme und UIDL-Menü sind nicht gesperrt

• Die gewählten Modellgeometrien sind bewußt einfach gewählt

• Bei entsprechendem KnowHow können die APDL- Routinen und UIDL-Menüs geändert und erweitert werden



Element- und Materialdefinition



Geometriegenerierung durch Keypoints und Lines



Flächengenerierung



Verschaltungsparameter



Lösungsvorschläge nach Modellgenerierung und Verschaltung



Eingabe notwendiger Steuergrößen



Lösungsinterpretation mit Ansys-Menü



Standardisierte Ausgaben des Berechnungstools bei Last

Realteil Imaginärteil



Interpretation der Rechenergebnisse an den Verschaltungselementen



Direkte Auswertung der erzeugten Listen z.B. mit Excel

Leerlauf

Leerlauf

Kurzschluß

Kurzschluß



Einbettung des Tools in Ansys (Technologie) I

•Menüoberfläche in UIDL geschrieben•Automatische Konvertierung in TCL beim

Aufruf neuerer Ansys-Versionen



Einbettung des Tools in Ansys (Technologie) II

•Einzelmodule in APDL geschrieben•Klarer Dateiaufbau passend zum Modell-

generierungsprozeß•Alle Dateien sind unverschlüsselt, um

Befehlsstrukturen nachzuvollziehen•Alle Dateien sind änderbar, um eigene

Geometrien und Schaltungen zu generieren



Einbettung des Tools in Ansys (Technologie) III

trafo1p-daten Dateineingabetrafo1p-Elemente Elementedefintiontrafo1p-material Materialdefinitiontrafo1p-geometrie Keypoint-/Liniendefinitiontrafo1p-flaechen Flaechengenerierungtrafo1p-netz Netzgenerierungtrafo1p-kopplung Kopplung von Knotentrafo1p-schalt Schaltungsgenerierungtrafo1p-aus Ausgabefilevorbereitungtrafo1p-loesxx Loesungsroutinen



Einbettung des Tools in Ansys (Technologie) IV

•Ansys-Befehle sind leicht nachvollziehbar•Zur Geometriegenerierung wurde fast aus-

schließlich die Bottom-up-Methode verwendet

•Notwendige Tricks aus zahlreichen Schu- lungen und Diskussionen mit Ansys- Support-Personal sind eingeflossen

•Know-How zur transienten Rechnung ist im Kontext verifizierbar



Weitere Beispiele (I): 3-Phasen-Transformator, z.B. Mantel



Weitere Beispiele (II): fremderregte Gleichstrommaschine



Weitere Beispiele (III): fremderregte Gleichstrommaschine

Ankerrückwirkung



Weitere Beispiele (IV): Gleichstrommaschine mit Zusatzwicklungen



Weitere Beispiele (V): permanenterregte Gleichstrommaschine



Weitere Beispiele (VI): Drehfeldentstehung



Weitere Beispiele (VII): Synchronmaschine Vollpolläufer



Weitere Beispiele (VIII): Synchronmaschine Schenkelpolläufer



Weitere Beispiele (IX): Asynchronmaschine Käfigläufer



Fazit

• EM-Praktikum ist geeignet zur Unterstützung von Elektrische Maschinen und Antriebe-Lehrveranstal- tungen

• EM-Praktikum kann Praktika unterstützen• EM-Praktikum kann Finite Elemente Theorie-Lehr-

veranstaltungen unterstützen• EM-Praktikum bietet eine strukturierte Modellgene-

rierungsvorgehensweise• EM-Praktikum bietet standardisierte Berechnungs-

methoden• EM-Praktikum ist unverschlüsselt• EM-Praktikum unterstützt auch Ansys-Trainingskurse



Fazit

• EM-Praktikum ist zu beziehen über die FH Dortmund ([email protected])

• Sollte EM-Praktikum nicht reichen, bietet EM-Design eine sinnvolle Ergänzung und Erweiterung

• EM-Design ist zu beziehen über die FH Dortmund ([email protected])

• Nutzung ohne Einweisung und Anwendungsunter- stützung ist zweifelhaft

mailto:[email protected]

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