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ANSYS-Multiphysics für eine "stabile" Energieumwandlung

Simulation im Auftrag von ABB

Branche: EnergieversorungFachgebiet: Strukturmechanik

Mit mehr als 50 Jahren Expertise und Erfahrung in der Forschung, Konstruktion und Herstellung von Trockentransformatoren und Reaktoren hat das Forschungs- und Entwicklungsteam von ABB vor kurzem ein schnelles Berechnungsverfahren für die Bewertung der strukturellen Festigkeit von Transformatorwicklungen entwickelt, die Kurzschlüssen ausgesetzt sind.

Zusammenfassung

Aufgabe

Um kurzschlussbedingte Instabilitäten zu vermeiden, ist bereits in einer frühen Konstruktionsphase eine zuverlässige numerische Simulation auf Basis einer gekoppelten elektromagnetischen und strukturellen Analyse erforderlich.

Lösung

CADFEM wurde hinzugezogen, um mit ANSYS Maxwell und ANSYS Mechanical ein Simulationsverfahren zu entwickeln, dass die Verformungen an den kreisförmigen Wicklungen der Metallfolien-VPIs aufzeigt.

Kundennutzen

Das Ergebnis dieser Simulation hilft den ABB-Konstrukteuren, die Sicherheitstoleranzen einer aktuellen Konstruktion zu überprüfen und die optimale Konstruktion in Bezug auf Materialien, Verklebung, Anzahl, Art und Positionierung von Abstandshaltern und allen anderen relevanten Merkmalen einer Transformatorwicklung in Folienbauweise zu finden.

Projektdetails

Aufgabe

Mit mehr als 50 Jahren Expertise und Erfahrung in der Forschung, Konstruktion und Herstellung von Trockentransformatoren und Reaktoren hat das Forschungs- und Entwicklungsteam von ABB vor kurzem ein schnelles Berechnungsverfahren für die Bewertung der strukturellen Festigkeit von Transformatorwicklungen entwickelt, die Kurzschlüssen ausgesetzt sind. Wenn dieser Fehler auftritt, wirken radiale elektromagnetische Kompressionskräfte auf die inneren Windungen. Werden diese zu stark, wird das System instabil und es kann zu mechanischen Verformungen an den Bogenstützen kommen, die wiederum zu Schäden an der elektrischen Maschine führen würden. Um diesen Mechanismus zu vermeiden, ist bereits in einer frühen Konstruktionsphase eine zuverlässige numerische Simulation auf Basis einer gekoppelten elektromagnetischen und strukturellen Analyse erforderlich. CADFEM wurde hinzugezogen, um mit ANSYS Maxwell und ANSYS Mechanical ein Simulationsverfahren zu entwickeln, dass die Verformungen an den kreisförmigen Wicklungen der Metallfolien-VPIs aufzeigt.


Nutzen für den Kunden

Das Ergebnis dieser Simulation hilft den ABB-Konstrukteuren, die Sicherheitstoleranzen einer aktuellen Konstruktion zu überprüfen und die optimale Konstruktion in Bezug auf Materialien, Verklebung, Anzahl, Art und Positionierung von Abstandshaltern und allen anderen relevanten Merkmalen einer Transformatorwicklung in Folienbauweise zu finden.

"Ein multiphysikalischer Ansatz, der die elektromagnetische und die strukturelle Simulation miteinander verbindet, ist unerlässlich, um die Natur der realen Bedingungen zu erfassen, denen unsere Produkte ausgesetzt sind. Insbesondere dieses Verfahren ist ein bedeutender Fortschritt im Vergleich zu den bisher verwendeten analytischen Modellen zur Vorhersage der Wicklungsknickung. Die sich daraus ergebende Möglichkeit zur Optimierung unseres Designs und die höhere Zuverlässigkeit unserer Produkte geben ABB einen greifbaren Wettbewerbsvorteil.
Luigi De Mercato, Leitender F&E-Ingenieur, ABB

 

Mit freundlicher Genehmigung von ABB


Lösung

Zur Erfassung des Lorentz-Kraftdichtefeldes wurde eine elektromagnetische Simulation durchgeführt, wobei die Krümmung des Magnetfeldes und die Stromdichteverteilung berücksichtigt wurden. Die aus 3D-magnetostatischen, zeitharmonischen und transienten Formulierungen erhaltenen Lösungen wurden verglichen, wobei ein effizientes Verfahren identifiziert wurde, das genaue Ergebnisse liefert, aber auch den Berechnungsaufwand begrenzt und somit seine Anwendbarkeit innerhalb des industriellen Designprozesses verbessert. Die berechneten volumetrischen Kräfte wurden dann auf das Strukturmodell interpoliert. Eine vorläufige nichtlineare Analyse wurde durchgeführt, um die besten Modellparameter in Bezug auf Netz, Solver und nichtlineare Kontakteinstellungen richtig zu definieren. Das leitende Material wurde mit seinen orthotropen Eigenschaften modelliert, die während der Experimente gemessen wurden. Anschließend wurde eine lineare Knickanalyse zur Bestimmung der Knickformen und Last-Multiplikatoren durchgeführt. Daran schloss sich eine nichtlineare Knickanalyse an, die große Verschiebungseffekte und nichtlineare Kontakte umfasste, mit dem Ziel, den kritischen Lastfaktor für die niedrigste Knickmodusordnung der gegebenen Wicklungskonstruktion mit besserer Genauigkeit zu bestimmen.


Geschäftsführer

Produkt-Anwendungen im Projekt