Einsatz virtueller Prototypen bei der akausalen Modellierung und Simulation von permanenterregten Synchronmaschinen. Application of virtual prototypes of permanent magnet synchronous machines by acausal modeling and simulation

Um elektrische Maschinen zeiteffizient entwickeln zu können, ist es notwendig, bereits vor dem Aufbau eines ersten Musters möglichst genaue Aussagen über das Betriebsverhalten treffen zu können. Zu diesem Zweck werden Maschinenmodelle eingesetzt, die je nach Modellierungstiefe unterschiedliche Effekte berücksichtigen oder vernachlässigen. Im Folgenden wird eine Methode vorgestellt, mit der durch Verbindung moderner Simulationswerkzeuge ein universelles Modell einer permanenterregten Synchronmaschine erstellt werden kann. Das dynamische Maschinenmodell berücksichtigt die magnetische Anisotropie des Rotors, die Eisensättigung, die Kreuzverkopplung, die Einflüsse der Nutung sowie die daraus resultierende Drehmomentwelligkeit und Oberschwingungen der Bewegungsspannung. ... mehrDie benötigten Parameter werden automatisiert aus Finite-Element-Berechnungen gewonnen. Ein solches Modell kann für beliebige Untersuchungen in virtuellen Prüfumgebungen verwendet werden. Beispielhaft werden die Vorteile des Ansatzes für einen Traktionsmotor für Automobilanwendungen anhand der Simulation der Stromoberschwingungen, der Erprobung eines Stromregelkonzeptes, der Untersuchung des aktiven Kurzschlusses und der Berechnung der Spannungswelligkeit im Generatorbetrieb aufgezeigt. Durch automatische Parametrierung und akausale Modellierung steht so eine Toolkette zur Verfügung, die aus den Geometriedaten der Maschine das Verhalten umfassend beschreibt und sich damit wie ein virtueller Prototyp verhält.

In order to develop electric machines time-efficiently, a detailed knowledge of the operating behavior is necessary even before a first prototype is built. For that purpose, machine models are used, which consider or neglect certain physical effects depending on the modeling depth. A method to gain a universal model of permanent magnet synchronous machines by combining modern simulation tools is presented. The dynamic machine model considers magnetic-anisotropy of the rotor, iron saturation, cross coupling and the influence of slot related torque ripples and harmonics of the induced voltage. ... mehrThe model parameters are automatically generated from numerical finite element method calcula-tions.
Such a model can be used for arbitrary analysis in virtual test environments. The advantages of the approach are shown for an automotive traction motor by simulation of current harmonics, by testing of a current controller, by analysis of the short circuit condition and by examining the harmonic content of the induced voltage. The described tool chain leads to an acausal model. Parameters are automatically generated on the basis of the machine geometry. The model can fully describe the machine’s behavior and acts like a virtual prototype.