09.10.2014
FEMAG Anwendertreffen 2014, Francesco QuattroneInstitut für Antriebssysteme
und Leistungselektronik
Entwicklungsumgebung FESI
Institut für Antriebssystemeund Leistungselektronik
Institut für Antriebssystemeund Leistungselektronik
FEMAG Anwendertreffen 2014
Entwicklungsumgebung FESI – Entwicklung und Test eigener Berechnungsfunktionen
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Francesco Quattrone
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Entwicklungsumgebung FESI
11
MotivationM
otiv
atio
n
BCH-Datei
Spezielle Probleme
• differentielle Induktivitäten
• magnetische Ersatznetzwerke
• eigene Verlustmodelle
• …
BCH-Datei
SkriptausgabenKonverter
erweiterte Auswertungen MATLAB / Excel
MATLAB / Excel
Skript
Jeder Anwender hat eigene Anforderungen an die Ergebnisausgabe.
Viele Aufgaben erfordern zahlreiche Arbeitsschritte und mehrere Werkzeuge.
Die Ergebnisausgabe in BCH-Dateien ist für nachgelagerte Programme nicht optimal geeignet.
“Standardprobleme”
• elektromagnetische Nachrechnung
• Betriebsverhalten
• Verluste und Wirkungsgrad
• …
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22
Motivation
Entwicklungsumgebung für eigene Berechnungs- und Auswertungsroutinen
einheitliche Lösung für alle Arbeitsschritte
keine zusätzlichen Lizenzen erforderlich
Wiederverwendbarkeit der Skripte
Mot
ivat
ion
“Standardprobleme”
• elektromagnetische Nachrechnung
• Betriebsverhalten
• Verluste und Wirkungsgrad
•…
BCH-Datei
BCH-Datei
SkriptausgabenKonverter
erweiterte Auswertungen MATLAB / Excel
MATLAB / Excel
Skript
FESI
Spezielle Probleme
• differentielle Induktivitäten
• magnetische Ersatznetzwerke
• eigene Verlustmodelle
• …
FEM
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33
Motivation
Kopplung mit FEMAG
andere FEM-Programme bei Bedarf ebenfalls möglich
Mot
ivat
ion
FEMAG
FEMM
weitere FEM-Programme
FESIFinite Element Script Interface
SkriptspracheLUA
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44
Ziele
Umsetzung individueller Berechnungsroutinen für spezielle Aufgaben
große Flexibilität und schnelle Erweiterbarkeit
gute Kompatibilität zu allen Versionen von FEMAG
hohe Rechengeschwindigkeit
Vermeidung nicht benötigter Rechenschritte (z. B. in PM-Reluctance)
Grundprinzip 1Reduktion aller Aufgaben auf die Basisfunktionen von FEMAG
Grundprinzip 2 Trennung der Arbeitsschritte Modellaufbau, numerische Berechnungen und Auswertung
Mot
ivat
ion
Modellaufbau
Rechenzeit: kurz
numerischeBerechnungen
Rechenzeit: lang
Skript 1 Skript 2
Auswertung
Rechenzeit: kurz
Skript 3
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55
Gliederung
Umsetzung der Entwicklungsumgebung
Funktionsumfang und Beispiele
Zukünftige Entwicklungsrichtungen
Zusammenfassung
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66
Gliederung
Umsetzung der Entwicklungsumgebung
Funktionsumfang und Beispiele
Zukünftige Entwicklungsrichtungen
Zusammenfassung
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77
Kopplung mit FEMAG
skriptbasierte Erstellung eigener Berechnungsroutinen in einer Entwicklungsumgebung
lauffähig mit FEMAG ab Version 7.9.188
Funktionsbibliothek in der Skriptsprache LUA
Um
setz
ung
-
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Graphische Entwicklungsumgebung
Installationsroutine verfügbar
nur eine Kopie von FEMAG im Installationsverzeichnis
Erstellung eigener Projektordner mit einem beliebigen Speicherort
eigener Editor (SciTe)
direkte Ausführung der Skripte im Fenster (mit F5)
Auto-Vervollständigung der Skriptbefehle
Ausgabe der Protokolldatei
Um
setz
ung
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99
Aufbau der FESI-Bibliothek
Entwicklung von Funktionsbibliotheken für elektrische Maschinen am IAL
Umsetzung eigener Routinen möglich
Erweiterung der Funktionsbibliothek möglich
Um
setz
ung
Schnittstelle zu FEMAG
FEMAG FEMAG
FESI
Modellaufbau Auswertung der Modelldaten
Achsenidentifikation Randbedingungen
Vorgabe der Rotorposition Vorgabe der Ströme / Flüsse
Lösung des Feldproblems (Calculate Once)
Feldgrößen Verluste Kraftdichten Drehmoment
erweiterte Color Gradation Diagramme
Datenexport (txt, mat) Reports
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1010
Berechnung rotierender elektrischer Maschinen
Jede Maschine wird aus vier Objekten zusammengesetzt.
Diese Systematik ermöglicht die Berechnung aller Synchronmaschinen.
Um
setz
ung
Maschinenart äußeresModellobjekt
inneresModellobjekt
äußeresWicklungsobjekt
inneresWicklungsobjekt
permanentmagneterregteSynchronmaschine (Innenläufer) Stator Rotor AC ---
permanentmagneterregteSynchronmaschine (Außenläufer) Rotor Stator --- AC
elektrisch erregteSynchronmaschine (Innenläufer) Stator Rotor AC DC
elektrisch erregteSynchronmaschine (Außenläufer) Rotor Stator DC AC
Synchronreluktanzmaschine(Innenläufer) Stator Rotor AC ---
Synchronreluktanzmaschine(Außenläufer) Rotor Stator --- AC
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1111
Gliederung
Umsetzung der Entwicklungsumgebung
Funktionsumfang und Beispiele
Zukünftige Entwicklungsrichtungen
Zusammenfassung
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1212
Funktionsumfang - Modellaufbau
vereinfachte Definition eigener Modelle
verkürzte Skripte
wiederverwendbare Skriptabschnitte
“Malen nach Zahlen”
Funk
tions
umfa
ng
Berechnung der Eckpunkte
Knotenketten zwischen den Eckpunkten
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1313
Funktionsumfang – Modellidentifikation
Identifikation rotierender elektrischer Maschinen
schnelle Achsenidentifikation für alle Maschinenarten
Funk
tions
umfa
ng
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1414
Funktionsumfang – Vorgabe eines Betriebspunkts
keine POC-Datei erforderlich
eine Funktion zur Vorgabe des Betriebspunkts
• Vorgabe der Rotorposition• Vorgabe der Ströme• Vorgabe der verketteten Flüsse
Vorgabe der Ströme und Flüsse direkt im dq0-System
alternativ: Vorgabe von festen Randbedingungen
temporäre Deaktivierung der Permanentmagnete möglich
Funk
tions
umfa
ng
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1515
Funktionsumfang – Berechnung der Feldlösung
Reduktion des Funktionsumfang auf einzelne Calculate-Once-Rechnungen
Berechnung mit festen Permeabilitäten der letzten Berechnung möglich
Rückgabe der gesamten Feldlösung im Skript (Permeabilitäten und Potentiale)
Sicherung der Feldlösung
Erkennung existierender Feldlösungen
keine mehrfachen numerischen Berechnungen (Zeitersparnis)
Funk
tions
umfa
ng
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1616
Funktionsumfang – Berechnung der Feldgrößen
Berechnung der magnetischen Feldgrößen
Verwendung einer gespeicherten Feldlösung möglich
direkte Auswertung der Wicklungsgrößen im dq0-System
direkte Trennung der Flussanteile
direkte Berechnung der differentiellen Induktivitäten
Funk
tions
umfa
ng
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1717
Funktionsumfang – benutzerdefinierte KennfelderFu
nktio
nsum
fang Drehmoment
Verkettungsfluss der Permanentmagnete
Induktivität in der d-Achse
Induktivität in der q-Achse
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1818
Funktionsumfang - Ergebnisdarstellung
Export der Ergebnisse als Textdatei oder im binären MAT-Format für Matlab
Color Gradation als Vektorgrafik (SVG)
SVG-Dateien können mit jedem Browser geöffnet werden
direkte Plotausgabe
Funk
tions
umfa
ng
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1919
Funktionsumfang – BerichtFu
nktio
nsum
fang
Erstellung von Berichten
Vorschau des Maschinenmodells
Auswahl der Abschnitte
graphische Ausgaben
frei gestaltbare Vorlage
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2020
Weitere Anwendungsbeispiele
Überprüfung analytischer Ersatzfunktionen Verlauf des Luftspaltleitwerts
Cartersche Faktoren
magnetisch wirksamer Luftspalt
Streuleitwerte
Wirbelstromverluste in axial segmentierten Permanentmagneten
Erweiterte Betrachtungen automatisierte Ableitung magnetischer
Ersatznetzwerke
Trennung der Oberfeldkomponenten
Definition eigener Verlustmodelle
Funk
tions
umfa
ng
k+1
LuftspaltStator Rotorn·I(k)123
k
n
magnetische Widerstände
magnetisches Ersatznetzwerk
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2121
Gliederung
Umsetzung der Entwicklungsumgebung
Funktionsumfang und Beispiele
Zukünftige Entwicklungsrichtungen
Zusammenfassung
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2222
Mögliche zukünftige Entwicklungsrichtungen
Erweiterung der Funktionbibliothek Verwendung von FESI in PMOK
Verwendung numerischer Ergebnisse in analytischen Rechenprogrammen, z. B. in SPSYN und SPOK
Parallelisierung der Berechnungen
Erweiterung auf Linearantriebe
Erstellung und Test weiterer Routinen
Erweiterungen in FEMAG neue CAD-Modelle
direkter Datenexport im MAT-Format
Übernahme getesteter Routinen in FEMAG
Zukü
nftig
e En
twic
klun
gsric
htun
gen
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2323
Gliederung
Umsetzung der Entwicklungsumgebung
Funktionsumfang und Beispiele
Zukünftige Entwicklungsrichtungen
Zusammenfassung
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2424
Zusammenfassung
Entwicklungsumgebung für spezielle Auswertungen
ideal zum Test eigener Routinen
einheitliche skriptbasierte Oberfläche für alle Arbeitsschritte
Trennung der Arbeitsschritte (Zeitvorteil)
Verfügbarkeit einer umfangreichen Funktionsbibliothek
einfache Erweiterbarkeit der Entwicklungsumgebung
gute Kompatiblität zu allen zukünftigen Versionen von FEMAG
Zusa
mm
enfa
ssun
g
ModellaufbaunumerischeBerechnungen Auswertung
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