Ansys Motor-CAD für die Auslegung und Optimierung elektrischer Maschinen

Ansys Motor-CAD ist das marktführende Simulationswerkzeug für die Auslegung und Optimierung elektrischer Maschinen. Es ermöglicht eine schnelle und genaue Analyse der elektromagnetischen, thermischen und mechanischen Effekte von Radialfluss-Maschinen. Motor-CAD wird in enger Zusammenarbeit mit Experten auf dem Gebiet des Elektromotoren-Entwurfs entwickelt und enthält eine Menge Expertise.

Es gibt vier Entwurfs-Module in Motor-CAD:

  • Mit dem Emag-Modul kann die elektromagnetische Performance von Entwürfen auf Basis von Motoren-Vorlagen evaluiert werden.
  • Mit dem Therm-Modul können Sie das thermische Verhalten der Maschine analysieren, beispielsweise die Magnettemperaturen unter verschiedenen Randbedingungen.
  • Das Mech-Modul dient der Bewertung der Festigkeit des Rotors in Abhängigkeit der Drehzahl.
  • Das Lab-Modul ist eine Art virtueller Prüfstand. Hier können Sie das Verhalten des Motors unter verschiedenen Lastbedingungen testen.

Motor-CAD deckt alle gebräuchlichen Typen von Radialfluss-Maschinen ab:

Mit dem EMag-Modul von Motor-CAD können Sie Drehmoment, Leistung, Verluste, Ströme, Induktivitäten, Flussverkettungen und Kräfte berechnen. Diese Ergebnisse basieren auf einem analytischen Berechnungsansatz, der mit einem eingebauten transienten 2D FEM-Löser kombiniert wird. Ihre Entwürfe können innerhalb von Minuten eingegeben und berechnet werden. Damit können Sie dann viele Iterationen fahren, um große Parameterräume zu untersuchen und so optimale Design-Entscheidungen zu treffen. Gleichzeitig gehen die Berechnungen in Motor-CAD aber auch sehr in die Tiefe und berücksichtigen wichtige Effekte, z.B. Wirbelströme in Magneten und wechselstrombedingte Verluste in den Wicklungen.

Das Therm-Modul dient zur Untersuchung des Wärmemanagements in der Maschine und ist eine DER Stärken von Motor-CAD. Es ist das Standard-Industrie-Tool für die thermische analyse elektrischer Maschinen und blickt auf über 20 Jahre Entwicklung zurück. Dementsprechend groß ist also das eingebaute Wissen hinsichtlich Wärmeübergangskoeffizienten und thermischen Kontaktwiderständen.

Sie können die Temperaturen der Motor-Komponenten unter instationären Bedingungen oder im Beharrungszustand ermitteln. Auch hier sind die  Berechnungen wieder sehr schnell, da mit einem thermischen Netzwerk gerechnet wird, dass durch Finite-Element-Analysen unterstützt wird. So kann der Wärmetransport verbessert werden und Sie können die Leistungsdichte der Maschine erhöhen. Die thermischen Komponenten basieren auch hier auf Templates und decken alle gängigen Arten der Kühlung ab. Also angefangen von verschiedenen Arten der Luftkühlung über Wassermantel- bis zur Sprühkühlung mit Öl.

Das Lab-Modul von Motor-CAD ist ein virtueller Prüfstand für Ihren Motor. Es benutzt die Elektromagnetik- und Thermik-Module, um ein Wirkungsgrad- und Leistungskennfeld zu ermitteln. Das Vorgehen ist dabei gekoppelt, damit lassen sich ändernde Induktivitäten und Verluste berücksichtigen. Basierend auf diesem Kennfeld können Sie sich Drehmoment-Drehzahl-Kurven für kurzzeitige Belastungen oder für den kontinuierlichen Betrieb ansehen. Es werden automatisch Drehmoment- und Strom-Steuerungs-Methoden verwendet, um die Maschinenleistung an einem Umrichter zu simulieren. Außerdem gibt es eine Bibliothek von Fahr-Zyklen oder selbstdefinierte Lastverläufe. Damit optimieren Sie das Design auf einen maximalen Wirkungsgrad über einem Lastkollektiv.

Neben der tiefergehenden Elektromagnetik-Analyse mit Maxwell gibt es viele Schnittstellen zu weiteren spezialisierten Ansys-Tools.

Es gibt eine Kopplung zu optiSLang, das ist ein Werkzeug für statistische Analysen, Design of Experiments und Optimierungen. OptiSLang übernimmt dabei die Kontrolle über die Motor-CAD-Software und wertet die Antwort des Motoren-Entwurfes abhängig von den gewählten Eingabe-Parametern aus. Basierend auf dieser Antwort kann der optimale Entwurf für konkurrierende Optimierungsziele gefunden werden. Außerdem können Sie die Zuverlässigkeit Ihres Entwurfes gegenüber Herstellungstoleranzen oder Schwankungen in den Materialparametern untersuchen.

Motor-CAD hat auch ein FMU-Interface für Ansys TwinBuilder oder andere Systemsimulations-Software. Die standardisierte FMU-Ausgabe ermöglicht es, das Motor-Modell in eine Systemsimulation einzubetten. So können Sie die Interaktion des Motors mit anderen Komponenten des Antriebs berechnen.

Schließlich können wir auch die Geometrie des Motors über den Ansys DesignModeler in die Workbench-Plattform überführen. Das ist dann die Basis für detaillierte Untersuchungen im gesamten Physik-Spektrum, das Ansys anbietet. Das beinhaltet sowohl strukturmechanische Berechnungen als auch Strömungs-Analysen mit beispielsweise Fluent. Solche detaillierten Ergebnisse (also zum Beispiel Wärmeübergangskoeffizienten) können Sie dann nutzen, um das Motor-CAD-Modell zu verfeinern und NOCH genauere Ergebnisse zu erzielen.