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Elektromagnetische Simulation der Feldverteilung im Axialflussgenerator
Die Analyse der elektromagnetischen Feldverteilung erleichtert die Auslegung von Axialflussgeneratoren, die mit Permanentmagneten ausgestattet sind.

Elektromagnetisch-strukturmechanische Simulation eines Axialflussgenerators

Branche: Maschinen- und Anlagenbau, Elektrotechnik/Elektronik, EnergieversorungFachgebiet: Strukturmechanik, Elektromagnetik, Multiphysics

Generatoren mit Direktantrieb sind einfacher, kompakter und robuster, da sie ohne mechanisches Getriebe auskommen. Die vom Unternehmen DDIS eingesetzten Axialflussmaschinen erreichen gegenüber üblichen Generatoren mit radialem elektromagnetischem Fluss zusätzlich eine wesentlich höhere Leistungsdichte.

Zusammenfassung

Aufgabe

In den Axialflussmaschinen von DDIS werden Permanentmagnete als zentrale Komponenten eingesetzt, die aufgrund ihres elektromagnetischen Verhaltens hohen Belastungen ausgesetzt sind. Deshalb sollte anhand von numerischen Simulationen die elektromagnetische Kraftwirkung bei unterschiedlichen Betriebszuständen ermittelt und bewertet werden.

Lösung

Die elektromagnetische Feldverteilung wurde mit Ansys Maxwell berechnet. Zur Ermittlung der strukturmechanischen Beanspruchung erfolgte eine nichtlineare FEM-Simulation mit Ansys Mechanical. Der Lastübertrag aus der elektromagnetischen Analyse wurde über eine direkte Verbindung der beiden Analysesysteme innerhalb Ansys Workbench realisiert.

Kundennutzen

Die Ergebnisse der Simulationen liefern essenzielle Erkenntnisse für die Weiterentwicklung des Generators. Dazu gehören Einblicke in die Umsetzung der mechanischen Leistung in elektromagnetische Energie sowie die Identifikation der relevanten Parameter in Bezug auf Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

Projektdetails

Aufgabe

Werden Direktantriebe als Generatoren eingesetzt, hat das den Vorteil, dass die elektrische Energie ohne zusätzliches mechanisches Getriebe erzeugt wird. Daraus ergeben sich weitere Vorteile wie eine einfachere, kompaktere Bauweise mit weniger mechanischen Komponenten und damit eine größere Robustheit.

Das französische Unternehmen DDIS hat für noch mehr Kompaktheit bei der Entwicklung von Generatoren gesorgt. Ihre Innovation ist die Verwendung einer Axialflussmaschine. Im Vergleich zu üblichen Generatoren mit radialem elektromagnetischem Fluss sind sie nicht nur kompakter, sondern ermöglich dadurch auch Anlagen mit einer wesentlich höheren Leistungsdichte.

Dabei werden Permanentmagnete als zentrale Komponenten eingesetzt, die aufgrund ihres elektromagnetischen Verhaltens hohen Belastungen ausgesetzt sind. Deshalb sollte anhand von numerischen Simulationen die elektromagnetische Kraftwirkung bei unterschiedlichen Betriebszuständen ermittelt und bewertet werden.


Nutzen für den Kunden

Die Ergebnisse der Simulationen liefern essenzielle Erkenntnisse für die Weiterentwicklung des Generators. Speziell die Interaktion zwischen elektromagnetischem und strukturmechanischem Verhalten verdient eine genauere Betrachtung, denn sie ermöglicht:

  • Einblicke in die Umsetzung der mechanischen Leistung in elektromagnetische Energie,
  • Erkenntnisse über eine konstruktiv optimale Anbindung der Permanentmagneten,
  • die Identifikation der relevanten Parameter in Bezug auf Zuverlässigkeit und Lebensdauer bei der Anbindung der Permanentmagneten.

Lösung

Die elektromagnetische Feldverteilung im Axialflussgenerator wurde in Ansys Maxwell analysiert. Basierend auf der transienten Bewegung des Systems ergeben sich in Abhängigkeit des Rotationswinkels magnetische Feldverteilungen, die für die magnetischen Kräfte ausschlaggebend sind.

Zur Ermittlung der strukturmechanischen Beanspruchung der Rotor- und Statorkomponenten erfolgte eine nichtlineare FEM-Simulation mit Ansys Mechanical. Der Lastübertrag aus der elektromagnetischen Analyse wurde über eine direkte Verbindung der beiden Analysesysteme innerhalb von Ansys Workbench realisiert.

Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene konstruktive Varianten und Verbindungstechniken untersucht. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen konnten Vorschläge zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Anlage erarbeitet werden.


Leiter Unternehmenskommunikation

Produkt-Anwendungen im Projekt