Ansys bei der Entwicklung des TUM Hyperloop-Antriebs
Welcher Typ von Motor eignet sich am besten für das Antriebsystem des TUM Hyperloop? Diese Grundsatzentscheidung fällte das verantwortliche Team um Tim Hofmann auf der Basis ihres Anforderungskataloges. Ein linearer Elektromotor machte das Rennen – für die Ermittlung der optimalen Konfiguration kommt die Simulation mit Ansys ins Spiel.
Simulationen erlauben den Blick in und das Verständnis für Details: Unter den Randbedingungen „kostengünstige Herstellung“, „kompakte Bauweise“ und „effizienter Betrieb“ wird über sie ermittelt, wie ein Motor mit vorgegebenem Bauraum und Design die maximale mechanische Leistung - d.h. Beschleunigungen und Geschwindigkeiten - liefert. Die Alternative dazu wären analytische Berechnungen. Der Aufwand dafür würde allerdings schnell ausufern. Gebraucht werden sie trotzdem - zur Überprüfung und Bestätigung der Simulationsergebnisse.
Ein linearer Synchronmotor besteht aus einem Stator (elektromagnetische Spulen entlang der Strecke) und einem mitbewegten Erregersystem, das ein statisches Magnetfeld erzeugt. Die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischem Feld des mit Dreiphasenwechselstrom gespeisten Stators und des Erregersystems führt zur Erzeugung einer Vorschubkraft. Diese Vorschubkraft muss das System gegen seine Trägheit und den für einen Hyperloop geringen Luftwiderstand beschleunigen: Die Wechselwirkung elektromagnetischer Felder führt also zu einer Bewegung.
Elektromagnetische Simulationen sind neben mechanischen und thermischen wichtig bei der Auslegung dieses Antriebs. Und alle hängen miteinander zusammen: Mit mechanischen Simulationen wird die Stabilität eines Designs abgesichert – unter Berücksichtigung der Temperatur verschiedener Komponenten, die ihrerseits vom Betriebszustand, z.B. der Erzeugung ohmscher Wärme in den Spulen, abhängig ist. Mechanik, Temperaturfelder, Elektromagnetik – für Analysen zu jeder dieser Domänen und zu Wechselwirkungen nutzen Tim Hofmann und sein Team Ansys und Lernangebote von CADFEM.
Schnell, schneller, Hyperloop
Rund um den Globus wird am Hyperloop gearbeitet, dem unglaublich schnellen Transportsystem der Zukunft. Ganz vorne dabei ist das TUM Hyperloop Team aus Studierenden, Lehrenden und Forschenden der TU München. Die Realisierung der Vision von Elon Musk ist an der TUM zum Greifen nah – auch dank hochmoderner Entwicklungswerkzeuge. Dazu gehören Simulationen mit Ansys samt Know-how Transfer durch CADFEM. Zum Übersichtsartikel TUM Hyperloop & CADFEM
Elektromagnetische Simulation in drei Schritten
Werfen wir einen genaueren Blick auf die Elektromagnetik. Der Simulationsprozess besteht aus drei Schritten: Statische 2D-Analysen, statische 3D-Analysen und, je nach Rechenkapazität, transiente 2D- oder 3D-Analysen. Auf Komponentenebene werden damit folgende Fragen beantwortet:
- Welche Magnetflussverteilung erzeugt das Erregersystem und welchen Einfluss haben Änderungen am Design des Erregersystems auf die Magnetflussverteilung?
- Und: Welche Magnetflussverteilung erzeugt das elektromagnetische Feld der Spulen im Stator und welchen Einfluss haben Änderungen am Design der Spulen auf die Magnetflussverteilung?
Beide Systeme werden mit Ansys Electronics Desktop auf eine maximale Magnetflussdichte in einem bestimmten lokalen Bereich optimiert. Im Anschluss werden die Bauteile als gesamtes System abgebildet, und damit die zeitabhängige Antriebskraft ermittelt
Ein Modul des Stators des Antriebssystems des TUM Hyperloop Demonstrators in Ottobrunn bei München. Rechts ist die Geometrie der Spulen zu sehen, bevor diese für elektromagnetische Simulationen vereinfacht wird, um anhand der Simulationsergebnisse das Design iterativ zu verbessern. Links ist die reale Umsetzung gezeigt, diese ermöglicht die Durchführung von Testreihen, auch um die Simulationsergebnisse noch einmal zu bestätigen und um Schlüsse für nachfolgende Simulationen zu ziehen.
Ziel erreicht
Die Simulationen lieferten wertvolle Erkenntnisse, um einen exakt auf die Anforderungen des TUM Hyperloop-Antriebs abgestimmten linearen Synchronmotor zu entwickeln. Bewährt hat er sich am 5 Meter langen Teststand, der mit einem 30 kW Umrichter betrieben wurde. Nach einem Feinschliff auf Basis neu gewonnener Erkenntnisse, der Gegenüberstellung von Simulations- und Testwerten sowie weiterführenden Simulationen entstand das Antriebssystem des TUM Hyperloop Demonstrators, das sich derzeit im Betrieb befindet.
Tim Hofmann ist Referent bei der CADFEM Conference 2024
Tim Hofmann ist einer der Referenten auf der CADFEM Conference am 10./11. April 2024 in Darmstadt. In seinem Vortrag „Elektromagnetische Auslegung Hochtemperatur-Supraleitender Spulen mit einfachen Simulationen in Ansys Maxwell“ gibt er tiefere Einblicke in die technischen Weiterentwicklungen des Antriebs auf Basis des TUM Hyperloop Demonstrators und in seine Arbeit mit Ansys. www.cadfem.net/conference
