Infoplaner 1-2007 - Cadfem

CADFEM INFOPLANER 1/2007Integrierte Simulation von komplexenmechatronischen SystemFür Entwickler in der elektrischen Antriebstechnikreicht es häufig nicht mehr aus, nur auf der Ebeneelektrischer Schaltkreise zu simulieren. Die integrierteAnwendung verschiedener Simulationsprogramme(ANSYS, CASPOC, Matlab/SIMULINK) ermöglicht eineumfassende Systemdarstellung.Produkte der Leistungselektronik oder Elektroantriebewerden zunehmend komplexer. Effizienten Entwicklungsumgebungenkommt eine wichtige Rolle zu. Verschiedene heterogeneSimulationswerkzeuge haben hier inzwischen einenfesten Platz, etwa ANSYS für die Berechnung mechanischer,thermischer und elektromagnetischer Phänomene.Ziele der Simulation sind die Ermittlung von Kenngrössenvon Aktoren und Sensoren, detaillierte Modelle für leistungselektronischeHalbleiterschalter, Parameter für elektrischeMaschinen, thermische Aspekte, verschiedene Reglerstrukturenund parasitäre Effekte, die oft auf die immer kleinerenAbmessungen zurückzuführen sind. Für alle Phänomenestehen leistungsfähige Simulationswerkzeuge zur Verfügung.Zu Komplikationen kann es aber kommen, wenn diese untereinandernicht kommunizieren und die Ergebnisse losgelöstvoneinander betrachtet werden. Diesem Problem kann miteiner integrierten Simulation begegnet werden.Hier setzt das Programm CASPOC an, das speziell für dieintegrierte Simulation von Baugruppen sowohl der Leistungselektronikund als auch der Antriebstechnik entwickelt wurde(Bild 1). CASPOC greift auf die Ergebnisse verschiedener Simulationsprogrammezu und integriert diese in Funktionsblöcke.Die kombinierte Simulation des Systems kann komplett inCASPOC durchgeführt werden. Alternativ kann Caspoc alsUnterprogramm von einer ANSYS- und/oder Matlab/SIMU-LINK- Berechnung eingesetzt werden.Elektrische Maschinen und AktuatorenDie Bibliothek von CASPOC beinhaltet verschiedensteMaschinenmodelle. Stärker ins Detail geht es, wenn die Parameterund Modelle der Maschinen von der Maschinengeometrieabgeleitet werden können. Diese Informationen erhältman in ANSYS z. B. durch die Berechnung der Induktivitat inAbhängigkeit von der Rotorposition bei einem Reluktanzmotor.Diese Daten werden dann an CASPOC übergeben. FürPMSM-Motoren wird die magnetische Co-Energie in ANSYSberechnet und als Modell in der CASPOC-Simulation einesgeregelten elektrischen Antriebs verwendet.Entwurfsprogramme für elektrische Maschinen könnenebenfalls mit dem Leistungselektronik-Simulator verknüpftwerden. Dadurch lassen sich elektrische Maschinen währendder Systemsimulation optimieren. Eine Co-Simulation zwischenANSYS und CASPOC ermöglicht die Berechnung dertransienten Vorgänge, wie z.B. Wirbelströme in Aktuatoren(Bild 2).Thermische Simulation Leistungselektronischer HalbleiterEin weiteres Beispiel sind thermische Effekte innerhalb einesleistungselektronischen Umrichters. Die Parameter der Leistungshalbleitersind stark von der Temperatur abhängig, wiez.B. der Durchgangswiderstand von MOSFETs. Bei der Optimierungvon Systemen wurden bisher thermische Effektenicht mit berücksichtigt. Mit immer kleineren Abmessungender Umrichter werden die thermischen Einflüsse wichtiger und24Bild 1: Antriebstrangsimulation eines Hybrid Fahrzeug, aus: Bauer,Hybrid Electric Car Design and Simulation, Power Systems Design Europe,July/August 2004, page 26-28Bild 2: Transienter Vorgang in einer Tauchspul-Simulation unter Berücksichigungder Wirbelströme aus: Bauer, Sitar, Evaluation of electromagneticactuator analysis in ANSYS and CASPOC, Proceedings of the 37 th IEEEPower Electronics Specilist Conference, PESC 18-22 June 2006.Anwendungen & Technologie