Elektrische Berechnungen

Elektrische Auslegung

Die elektrische Berechnung auf der Basis von magnetischen Ersatzschaltbildern und Erfahrungswerten ist für bekannte Maschinentypen schnell und einfach durchführbar. Nach einer groben Auslegung kann die Optimierung erfolgen, eine Reihe von unterschiedlichen Geometrien und Betriebspunkten können in kurzer Zeit berechnet werden. Entwickler großer Generatoren bevorzugen dabei firmeneigene Berechnungsprogramme, da diese die Erfahrung und firmenvertraulichen Messwerte von Jahrzehnten beinhalten.

Für neue Maschinenauslegungen sollte das magnetische Feld mit der Finite-Elemente Methode berechnet werden. Für einen langgestreckten Motor kann die Genauigkeit von 2D-Berechnungen ausreichend sein; E-Cooling hat dabei gute Erfahrung mir der Software 2D-FEMM gemacht. Für genauere Ergebnisse sollte die Berechnung in 3D mit einer kommerziellen Software erfolgen.
 

 
     Magnetisches Feld eines Assychronmotors
    (© Institut für Energie und Automatisierungstechnik der TU-Berlin)

Lokalisieren der Verluste

Verluste in elektrischen Maschinen werden in Stromwärmeverluste (Kupferverluste), Ummagnetisierungsverluste (Eisenverluste) und mechanische Verluste (Ventilationsverluste, Lagerverluste) unterteilt. Die Stromwärmeverluste sind für die Mehrzahl der Maschinen die dominierenden Verluste. Die Zuordnung der elektrischen Verluste zu den Entstehungsorten ist für eine Entwurfsberechnung von untergeordneter Bedeutung. Von Interesse sind vornehmlich die Werte der Gesamtverluste sowie der Wirkungsgrad. Eine gute Kenntnis der Entstehungsorte ist jedoch Vorraussetzung für eine Temperaturberechnung. Die Verluste in der Ständer- und Läuferwicklung sowie die vom Grundfeld verursachten Verluste im Ständerjoch und in den Ständerzähnen lassen sich eindeutig homogen in den zugehörigen Volumina lokalisieren. Schwieriger und ungenauer wird allerdings die Zuordnung der Zusatzverluste.

Es empfiehlt sich 2D-Finite-Elemente Berechnungen für mehrere Schnitte der Maschine durchzuführen. Wenn keine Finite-Elemente vorliegen, können die Zusatzverluste mit Hilfe von Formeln der offenen Literatur, wie z.B. von G. Müller, lokalisiert werden.

 
  Verteilung der Stromdichte für eine grosse Schenkelpolmaschine.

 

Gekoppelte Berechnung des Elektromagnetismus und der Strömung

Kommerzielle Software werben immer wieder für Multiphysics; dennoch brauchen wir sie wirklich?: Die Eisenverluste sind quasi temperaturunabhängig, lediglich die Kupferverluste steigen mit der Temperatur durch die Widerstandzunahme. Wenn Messergebnisse der Wicklungstemperatur vorliegen, sollten die Verluste mit diesem Wert ermittelt werden. Sonst musste die Wicklungstemperatur geschätzt werden. Wenn die berechnete Temperatur abweicht, sollte man mit dem Taschenrechner den Wicklungswiderstand und die Kupferverluste neu berechnen und die thermische Berechnung nochmals starten.
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