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„Automatisierte Motormodellerstellung mittels Python“
KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 1
Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt ‐ DLRInstitut für Fahrzeugkonzepte
Christian Weber
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1. Motivation
2. „Design Workflow“
3. Wicklungstool
4. Design Creator
5. Design Optimierung
6. Design Analyse
7. Entwurf einer Maschine
8. Ausblick
KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 2
Gliederung
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Universelle Entwicklungstools für elektrische Maschinen mittels Python
• Kopplung zwischen analytischen und numerischen Berechnungen
• Maschinen Topologien (PMSM, FESM, ASM) beliebig erweiterbar
• Einfache und schnelle Generierung von Maschinenmodellen
• Optimierung der Maschinengeometrien
• Analyse der Maschinendesigns
• Universelle Kommunikationsschnittstelle
KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 3
1. Motivation
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 4
2. „Design Workflow“
MDC
MWT
MDO
MDA
Maschinen Wicklungstool– MWT Generierung und Analyse von
Wicklungskonzepten
Maschinen Design Creator – MDC Generierung von Maschinen
Modellgenerierung in Maxwell
Maschinen Modell Optimierung – MDO Optimierung von Maschinenmodellen
in Maxwell
Maschinen Design Analyse – MDA Berechnung von Kennfeldern in
Maxwell
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Auswahl unterschiedlicher Wicklungskonzepte
Wicklungskonzepte visualisieren
Darstellung des Luftspaltfeldes
Berechnung des Wicklungsfaktors
Automatische Ermittlung von möglichen Wicklungskonzepten
Export von Ergebnissen
KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 5
3. Wicklungstool – MWT
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 6
3. Wicklungstool – MWT
Auswahl unterschiedlicher Wicklungskonzepte
Wicklungskonzepte visualisieren
Darstellung des Luftspaltfeldes
Berechnung des Wicklungsfaktors
Automatische Ermittlung von möglichen Wicklungskonzepten
Export von Ergebnissen
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3. Wicklungstool – MWT
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3. Wicklungstool – MWT
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 9
3. Wicklungstool – MWT
NutenspannungssternStrangspannungsstern
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 10
4. Design Creator– MDC
Generierung von Maschinenmodellen in numerischen Berechnungs‐ Tools
Automatische Spulengenerierung in Maxwell
Erkennung von Symmetrie‐bedingungen
Automatische Netzgenerierung
Materialzuweisung
Analytische Berechnungen
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 11
4. Design Creator– MDC
Implementierte Methoden:
• Symmetrieerkennung
• Netzgenerierung
• Änderung des FEM Lösungsansatz f(x)
Statisch Transient
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5. Design Optimierung – MDO
Numerische Optimierung von Maschinenmodellen
Optimierung der magnetischen Flussdichte im: Stator Joch Stator Zahn
Variation des Bohrungsdurchmessers unter Vorgabe von Randbedingungen
Ausgabe von analytischen Berechnungen
00,20,40,60,81
1,21,41,6
0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75M in
Nm
dsi*
N9p4_L2
∗
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 13
5. Design Optimierung – MDO Initial Berechnung
Änderung der Schrittweite
falsch
Berechnung
Lesen der Werte
Anpassung: Stromdichte
Lesen der Werte
div
falsch
Ergebnisse schreiben
wahr
Numerische Optimierung von Maschinenmodellen
Optimierung der magnetischen Flussdichte im: Stator Joch Stator Zahn
Variation des Bohrungsdurchmessers unter Vorgabe von Randbedingungen
Ausgabe von analytischen Berechnungen
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 14
6. Maschinen Design Analyse – MDA
Berechnung von Kennfeldern
Wicklungsverluste
Ummagnetisierungsverluste
Scheinleistung
Wirkleistung
Wirkungsgradkennfeld
n
n
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 15
Entwurf einer Maschine
Zweischichtwicklungen
Einschichtwicklungen
• Auslegung eines Kleinmotors mit Zahnspulenwicklung
• Generierung von möglichen Wicklungschemata
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 16
Entwurf einer Maschine
N=9,p=4, ZweischichtN=12,p=4, Zweischicht
30.50,866
N=12,p=4,Einschicht
30,50,866
30,3750,945
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 17
Entwurf einer Maschine
MDCMWT
Stator:6030
∗ 0.60.7
PM:B 1.2T
890 /3
0.85
Technische Daten:
N9p4_L2
N12p4_L2
N12p4_L1
6000 /
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 18
Entwurf einer Maschine
Vorgaben: max. Bavg im Zahn =1.6 T, max. Bavg im Joch =1.4 T, Jmax= 15 A/mm²
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75
Drehm
omen
t in Nm
bezogener Bohrungsduchmesser d_si/d_sa
N9p4_L2
N12p4_L2
N12p4_L1
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KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 19
Entwurf einer Maschine
N12p4_L2 N9p4_L2 N12p4_L186,9% 87,1% 85,32%942 942 8291,5 1,5 1,3288 17 103
12,6 11 11,7130 128 132
Masse Elektroblech 331 350 352Masse Kupfer 108 134 100Masse Magnete 37 36 36
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• Einfügen weiterer Optimierungsalgorithmen
• Effizienz • Drehmomentwelligkeit
• Tool zur Berechnung der Temperaturverteilung in der Maschine• Thermisches Netzwerk
KMK 2017 • Christian Weber • 15.03.2017DLR.de • Folie 20
Ausblick
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Danke für Ihr Aufmerksamkeit!
Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt ‐ DLRInstitut für Fahrzeugkonzepte
Christian Weber