Die zu simulierende Anwendung ist ein Linearmotor, der in einer zukünftigen Magnetschwebebahn eingesetzt werden soll. Wir veröffentlichen dies mit freundlicher Genehmigung von HARDT GLOBAL MOBILITY.
Ausgangs-Situation
3D-Verhalten studieren und optimieren
Die zu simulierende Anwendung ist ein Linearmotor, der in einer zukünftigen Magnetschwebebahn eingesetzt werden soll. Wir veröffentlichen dies mit freundlicher Genehmigung von HARDT GLOBAL MOBILITY. Das nächste Bild illustriert die Anwendung.
Bild: Illustration der Anwendung (Mit freundlicher Genehmigung von HARDT GLOBAL MOBILITY)
Es gibt einen laminierten Stahlträger und einen U-förmigen Magneten, der in einigen Zentimetern Abstand darunter hängt. Der U-förmige Magnet besteht aus einem Permanentmagneten oder einem Supraleiter, einem laminierten Eisenkern und zwei Elektromagneten an den Enden des U. Der Stahlträger hat Schlitze für einen Aluminium-/Kupferdraht. Wenn ein Strom durch diesen Draht fließt, wird eine Kraft in Richtung des Trägers erzeugt, die den U-förmigen Magneten in Bewegung versetzt. Die Pole der U-förmigen Magnete haben ebenfalls Schlitze für einen Aluminium-/Kupferdraht, der auf der Seite des U-Magneten einen Strom als Generator für die Aufhängung erzeugt. Siehe die folgende Abbildung des Transrapid als Referenz, dem das System ähnlich ist (obwohl in dieser Abbildung das U durchgehend ist und keine Permanentmagnete/Supraleiter hat):
Abbildung: Motorsystem eines Transrapids als Referenz, dem das System ähnlich ist
Bei dieser Simulation sind folgende Punkte von Interesse:
- Das magnetische Feld
- Im Spalt zwischen dem Magneten und dem Strahl
- Im magnetischen Material, unter Berücksichtigung von Sättigung und Permeabilität
- Das Streufeld weiter weg vom Magneten
- Die Kräfte auf den U-Magneten
- Vertikale Kräfte, um zu sehen, wann er schwebt
- Längskräfte aufgrund des Stroms, der durch den Kupferdraht fließt
- Seitenkräfte, wenn der Magnet in Bezug auf den Träger verschoben wird
- Wirbelströme, die durch die Bewegung des Magneten entstehen
- Im Kupferdraht
- Im Stahlblech
- Die in den Drähten des U-förmigen Magneten erzeugten Ströme
Geeignete Methode
Stepping Motion in 3D Dynamischer Lösung
Ein CAD- und FEM-Modell des Motors wird erstellt. Dies kann entweder in 2 oder 3D erfolgen. Wir entscheiden uns für 3D, um das Streufeld zu erfassen. Alle linearen und nichtlinearen Materialeigenschaften werden aus der Bibliothek entnommen und auf die entsprechenden Netze angewendet.
Abbildung: Das FEM-Modell des Linearmotors. Luft-netze sind zur besseren Sichtbarkeit ausgeblendet
Die Simulation der Bewegung wird durch eine so genannte General-Motion Funktion realisiert. Diese Funktion verschiebt die Rotorelemente in jedem Zeitschritt um einen vom Benutzer vorgegebenen Verschiebungsschritt. Der Luftspalt zwischen Rotor und Stator wird durch diese Funktion automatisch beseitigt und der nächste Simulationsschritt kann gelöst werden.
Die gewünschten Ergebnisse werden im Lösungsdialog eingeblendet. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Bild: Der Dialog mit den möglichen Ausgaben für diese 3D Magnetodynamic Transient Lösung
In diesem Fall verwenden wir ein General-Motion Feature des erzwungenen Typs. Alternativ könnten wir ein dynamisches General-Motion-Feature verwenden, das die Größe der Verschiebungsschritte automatisch anhand der Magnetkräfte und der Masseeigenschaften des Rotors berechnet.
Die Lösung wird auf einem einfachen Computer mit 4 Kernen und 32 GB Speicher durchgeführt. Wegen der nichtlinearen Newton-Rhapson-Iterationen wird ein Schritt in etwa 1 Minute ausgeführt. Wir führen 136 Schritte durch und benötigen daher etwa zwei Stunden, um die folgenden Ergebnisse zu berechnen.
Ergebnisse
Streufeld, Kraft, induzierte Ströme/Spannung
Wie bereits erwähnt, sind wir daran interessiert, diese Ergebnisse zu finden. Wir beginnen mit einem Film (zum Animieren anklicken), der die magnetische Flussdichte zeigt, wie sie sich verhält, während sich der Rotor bewegt.
Bild/Film: Magnetische Flussdichte (anklicken, um zu animieren)
Dann untersuchen wir die berechneten Rotorkräfte und ihre Veränderung über die Position, wie im nächsten Bild gezeigt.
Bild: Kräfte über Rotor Position
Als Nächstes zeigen wir das Streufeld, das am besten untersucht werden kann, wenn man die Vektoren der magnetischen Flussdichte in einer Schnittansicht durch den Rotor betrachtet. Beachten Sie, dass sich diese über die Position ändert.
Bild: Streu-Feld
Induzierte Ströme werden in magnetodynamischen Lösungen automatisch berechnet. Daraus kann das System Wirbelstromverluste berechnen, die wegen ihrer Auswirkungen auf das Wärmemanagement oft von Interesse sind. Wir zeigen diese Wirbelströme zusammen mit den angelegten Strömen im nächsten Bild (Click to animate).
Bild/Film: Angewandte und Wirbelströme (Anklicken zum Animieren)
Das letzte Ergebnis von Interesse ist das Verhalten der Statorspannungen in den Rotorspulen. Dieses Ergebnis wird benötigt, um die elektrische Leistungsaufnahme zu kennen und um die Leistungselektronik auszuwählen, die mit diesem Motor kompatibel ist. Außerdem lässt sich damit der Wirkungsgrad des Motors vorhersagen. In der nächsten Abbildung zeigen wir solche Spannungen in einer Phase (4 Spulen verwenden diese). Das Verhalten ermöglicht auch die Überprüfung der Rotorposition.
Bild: Induzierte Spannungen in den Statorspulen der Phase W
Anhand dieser Ergebnisse ist es möglich, das Verhalten des Linearmotors fein abzustimmen und an die gegebenen Anforderungen anzupassen. Geometrische Änderungen werden einfach im NX-CAD-System vorgenommen, Netzaktualisierungen erfolgen automatisch oder mit etwas Benutzerinteraktion. Elektrische Parameter-Sweeps können helfen, optimale Einstellungen zu finden.
