Richtig gegenlenken

Exklusiv in KEM Autoren: Gerhard E. Stebner ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Christoph Hartwig Professor an der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Braunschweig/ Wolfenbüttel

Bei der elektrischen Servolenkung wird eine Synchronmaschine eingesetzt, um das benötigte Drehmoment am Lenkrad zu verringern. Es ersetzt das hydraulische Lenksystem, das nicht über die Energieeffizienz und Dynamik von Synchronmaschinen verfügt. Damit kann der Fahrer das Fahrzeug mit weniger Anstrengung lenken und profitiert von einer verbesserten Reaktion des Lenkrades. Bei einer solchen direkten Interaktion zwischen Aktoren und Fahrer müssen jedoch einige Dinge beachtet werden. Insbesondere das Rastmoment der Synchronmaschine kann vom Fahrer als störend empfunden werden. Dieses Rastmoment hat seinen Ursprung in der Wechselwirkung zwischen Permanentmagneten und den Statornuten der Maschine. Auch wenn die Forschung im Bereich der Synchronmaschinen schon erheblich fortgeschritten ist, stellt die praktische Entwicklung aufgrund der komplexen Interaktion zwischen einigen Designparametern immer noch eine große Herausforderung dar.

An der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften wurde das Projekt „Easync“ durchgeführt, um die Auslegung von Synchronmaschinen zu erleichtern und um mit Softwarewerkzeugen wie „Comsol Multiphysics“ und „Matlab“ einen vereinfachten Entwicklungsprozess zu gestalten. Als Ergebnis entstand die Software Easync, ein halbautomatisches Werkzeug für die Simulation und Entwicklung von Synchronmaschinen.

In einem sehr frühen Stadium der Entwicklung ist aufgrund der begrenzten Zeit eine parallele Auslegung des Antriebs, der Leistungselektronik und des Regelungskonzepts wünschenswert. Veränderungen in der Motorauslegung erfordern Modifizierungen am Motormodell, Modifikationen in der Systemauslegung können wiederum die Motorspezifikationen verändern. Das führt bei der Motorenentwicklung und der Herleitung neuer Modelle für das Systemdesign zu einem iterativen Prozess.

Bildlich dargestellt ist der Aufbau von Easync. Das zentrale Element ist das „Comsol Live Link Interface“, das „Comsol Multiphysics, Matlab“, „Matlab Simulink“, „Matlab Optimization Toolbox“ und das „Graphical User Interface“ (GUI) verbindet. Der Anwender steuert Easync über das GUI und kann so auf alle Module zugreifen und ihre Eigenschaften kombinieren. So ist es möglich, sowohl Maschinenparameter zu bestimmen, als auch Designoptimierungen durchzuführen. Durch die automatisierte Verknüpfung der Module müssen dabei keine Daten per Hand übertragen werden. Easync kann mit dem Comsol Live Link und Matlab komplette Maschinenenparametersätze berechnen. Dieser Prozess beinhaltet unter anderem die Simulation des Rastmomentes, der induzierten Spannung und den Längs- und Querinduktivitäten der Maschine. Mit diesem Parametersatz wird ein Simulink-Modell erzeugt, das die transiente Analyse einer Maschine ermöglicht. Dieses kann eingesetzt werden, um andere, von der Motorauslegung abhängige Bauteile zu entwickeln. Ebenfalls bildlich dargestellt sind der Prozess und die eingesetzten Softwarewerkzeuge.

Um die Funktionalität von Easync unter Beweis zu stellen, wurde ein bereits existierender Antrieb nachgerechnet und die Messungen mit der Simulation verglichen. Es handelte sich um eine Synchronmaschine mit Dauermagneten und einer maximalen Ausgangsleistung von 100 W. Für den Aufbau des Modells müssen zunächst die Geometriedaten des Motors vorliegen. Der Geometriebuilder basiert auf vordefinierten Maschinentypen. Aktuell ist Easync in der Lage, Maschinen mit oberflächenmontierten Magneten und internem Rotor aufzubauen. Sind die Polpaare und die benötigte Anzahl der Nuten definiert, werden die Windungen hinzugefügt. Die Geometrie ist nun bereit zur Vernetzung. Der automatische Me-shing-Prozess wird durch die hohe Flexibilität und die Zuverlässigkeit des Comsol Multiphysics Mesh-Generators möglich. Vor allem der Luftspalt ist ein für die Vernetzung kritischer Bereich. Wenn möglich, wird dem Luftspalt ein strukturiertes Gitter mit rechteckigen Elementen hinzugefügt. Weisen Rotor und Stator keine zylindrischen Geometrien auf, wird eine andere Gitterstrategie, zum Beispiel ein hybrides Gitter aus quadratischen und dreieckigen Elementen, gewählt.

Anschließend werden die Windungs- und Magneteigenschaften den jeweiligen Modellgebieten zugewiesen und eine Simulations-Reihe durchgeführt. In diesem Fall führt eine transiente Analyse mit rotierendem Rotor ohne Strom zur induzierten Spannung und dem Rastmoment. Unter Berücksichtigung des Stromflusses werden die Längs- und die Querinduktivität bestimmt. Berechnungen von Drehmomentwelligkeiten sind ebenfalls möglich. Die Simulationsergebnisse für das Nutrastmoment stimmten in der Periodizität überein, hatten aber unterschiedliche Amplituden. Durch weitere Simulationen konnte gezeigt werden, dass diese Abweichungen durch Fertigungstoleranzen zu erklären sind.

Da Optimierungsprozesse auf der Basis von Iterationen erfolgen, sind schlanke Modelle und ein optimiertes Netz ausschlaggebend für ein effektives Designwerkzeug. Easync ermöglicht es, die Rechenzeit zu verkürzen, indem die Geometrie gebogen wird und Symmetrien aufgedeckt werden. Das Netz muss der Geometrie und den zu untersuchenden Eigenschaften angepasst werden. Alle erwähnten Aspekte werden verwendet, um Regeln für den Vernetzungsprozess in Easync abzuleiten. Dies führt zu einem angepassten Netz, das die geometrischen und physikalischen Anforderungen für eine stabile und präzise Modellierung erfüllt.

Mit den beschriebenen Methoden deckt Easync die grundlegenden Vorgehensweisen zur Auslegung und zum Nachweis bestehender Konzepte von Synchronmotoren ab. Durch die Auswahl geeigneter Vernetzung und Moment-Berechnungen werden ungenaue Ergebnisse erfolgreich vermieden. Derzeit ist die vorhandene Bibliothek an Maschinen zwar noch sehr begrenzt, da nur ein Maschinentyp mit einfacher Geometrie zur Verfügung steht. Es gibt aber bereits laufende Projekte, die diese Bibliothek erweitern werden und weitere Designprozesse zu Easync hinzufügen. Dies wird die Auslegung verschiedenster Maschinentypen ermöglichen. Das Projekt Easync wurde als Paper und Vortrag von M. Eng. Gerhard E. Stebner auf der Comsol Konferenz 2011 vorgestellt. Prof. Hartwig ist auf der diesjährigen Comsol-Konferenz in Mailand Mitglied des Programmkomitees.

Weitere Informationen zur Konferenz finden Sie unter www.Comsol.eu/ conference2012/europe/

Comsol Multiphysics; Telefon: 0551 99721-0; E-Mail: info@comsol.de