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Erwärmungsberechnung an einer Drehstrom-Asynchronmaschine

Erwärmungsberechnung mit ANSYS

Branche: Elektrotechnik/ElektronikFachgebiet: Elektromagnetik, Temperaturfelder

SCHOTTEL ist weltweit führend bei Schiffsantrieben und Steuerungen. Für eine Drehstrom-Asynchronmaschine berechnete CADFEM die Wärmegeneration in ANSYS.

Zusammenfassung

Aufgabe

In Drehstrom-Asynchronmaschinen wird Verlustwärme sowohl durch die Bestromung der Ständerwicklungen als auch durch induzierte Ströme in den Kurzschlussstäben des Läufers generiert. Ummagnetisierungsverluste tragen ebenfalls zur Aufheizung bei. Eine FE-Simulation soll die zeitabhängige Erwärmung und die erreichten Temperaturen an kritischen Stellen liefern.​

Lösung

Die gemittelten Wärmegenerationsraten aus der EMAG-Simulation werden in ein 3D thermisches FE-Modell übertragen. Thermische Übergangsstellen zwischen den Komponenten sind als Kontakte modelliert. Die Simulation liefert schließlich das zeitabhängige Erwärmungsverhalten des gesamten Maschinenkörpers.

Kundennutzen

Die zeitabhängige 3D-Simulation in ANSYS beschreibt den Erwärmungsvorgang des gesamten Maschinenkörpers unter Benutzung der Joule’schen Wärme, ohne dass aufwändige Prototypen hergestellt werden müssen.

Projektdetails

Aufgabe

Die Schottel GmbH in Spay liefert u.a. Schiffsantriebe auf Basis von Drehstrom-Asynchronmaschinen im Leistungsbereich 2-5 MW. In solchen Maschinen wird Verlustwärme sowohl durch die Bestromung der Ständerwicklungen als auch durch induzierte Ströme in den Kurzschlussstäben des Läufers generiert. Ummagnetisierungsverluste tragen ebenfalls zur Aufheizung bei. Die Kühlung erfolgt durch das umgebende Meerwasser über das Bronzegehäuse sowie die durchströmte Bronze-Hohlwelle. Außerdem wird Kühlluft in die Wickelkopfräume und durch Luftkanäle in Ständer- und Läuferblechpaketen gedrückt. Eine FE-Simulation soll die zeitabhängige Erwärmung und die erreichten Temperaturen an kritischen Stellen liefern.


Nutzen für den Kunden

Die zeitabhängige 3D-Simulation in ANSYS beschreibt den Erwärmungsvorgang des gesamten Maschinenkörpers unter Benutzung der Joule’schen Wärme, ohne dass aufwändige Prototypen hergestellt werden müssen.


Lösung

Die Lösung erfolgt in zwei Schritten:

1)2D transiente EMAG-Simulation
Die Bestimmung der Wärmegeneration in den Ständerwicklungen ist über die gegebenen Phasenströme und den ohmschen Widerstand relativ einfach. Die Stromdichteverteilung in den Kurzschlussstäben des Läufers ergibt sich jedoch durch elektromagnetische Induktion. Durch eine 2D-Elektromagnetik-Simulation mit ANSYS/Multiphysics werden aus dem Ständer-Drehfeld und den vorgegebenen Drehzahl- bzw. Schlupfwerten die Strom- und Flussdichteamplituden sowie dadurch verursachte Wärmegenerationsraten berechnet. Aufgrund des Prinzips der Asynchronmaschine muss ein vollständiger transienter Einschwingvorgang berechnet werden, bevor die stationären Werte extrahiert werden können. Dazu sind viele Zeitschritte erforderlich. Es zeigt sich, dass die konkrete Form der Blechschnitte einen erheblichen Einfluss auf die Ausprägung der Stromdichteverteilung besitzt.

2)3D transiente thermische Simulation
Die gemittelten Wärmegenerationsraten aus der EMAG-Simulation werden nun in ein 3D thermisches FE-Modell übertragen. Darin sind auch die Wickelköpfe sowie die Kurzschlussringe im Detail ausgeführt. Thermische Übergangsstellen zwischen den Komponenten sind als Kontakte modelliert. Konvektion und Wärmetransport werden mit Hilfe von SURFACE- und PIPE-Elementen über Kennzahlen dargestellt. Die Simulation liefert schließlich das zeitabhängige Erwärmungsverhalten des gesamten Maschinenkörpers.


Business Development
Dr. rer. nat. Martin Hanke

Produkt-Anwendungen im Projekt