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09.10.2014 FEMAG Anwendertreffen 2014, Francesco Quattrone Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik Entwicklungsumgebung FESI Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik FEMAG Anwendertreffen 2014 Entwicklungsumgebung FESI – Entwicklung und Test eigener Berechnungsfunktionen 09.10.2014 Francesco Quattrone

FEMAG Anwendertreffen 2014

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FEMAG Anwendertreffen 2014, Francesco QuattroneInstitut für Antriebssysteme

und Leistungselektronik

Entwicklungsumgebung FESI

Institut für Antriebssystemeund Leistungselektronik

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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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Entwicklungsumgebung FESI

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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Entwicklungsumgebung FESI

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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Entwicklungsumgebung FESI

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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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Entwicklungsumgebung FESI

55

Gliederung

Umsetzung der Entwicklungsumgebung

Funktionsumfang und Beispiele

Zukünftige Entwicklungsrichtungen

Zusammenfassung

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Entwicklungsumgebung FESI

66

Gliederung

Umsetzung der Entwicklungsumgebung

Funktionsumfang und Beispiele

Zukünftige Entwicklungsrichtungen

Zusammenfassung

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Entwicklungsumgebung FESI

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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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Entwicklungsumgebung FESI

88

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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Entwicklungsumgebung FESI

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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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Entwicklungsumgebung FESI

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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Entwicklungsumgebung FESI

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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Entwicklungsumgebung FESI

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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Entwicklungsumgebung FESI

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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Entwicklungsumgebung FESI

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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Entwicklungsumgebung FESI

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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Entwicklungsumgebung FESI

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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Entwicklungsumgebung FESI

2121

Gliederung

Umsetzung der Entwicklungsumgebung

Funktionsumfang und Beispiele

Zukünftige Entwicklungsrichtungen

Zusammenfassung

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Entwicklungsumgebung FESI

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

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ModellaufbaunumerischeBerechnungen Auswertung

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