Simulation und Methoden

  Numerische Berechnung mithilfe von institutseigenen Solvern Urheberrecht: IEM

Die Arbeitsgruppe Simulation und Methoden beschäftigt sich mit der analytischen Berechnung und der numerischen Simulation elektrischer Maschinen und Anwendungen in der elektromagnetischen Energiewandlung. In der Arbeitsgruppe werden alle Themengebiete betrachtet, die im Zusammenhang mit dem Entwurf, der Auslegung und der Optimierung der elektromagnetischen Energiewandlung benötigt werden. Neben der Elektromagnetik, Strukturdynamik und Akustik sowie dem thermischen Verhalten der Energiewandler, steht insbesondere auch die Kombination verschiedener Domänen in Form von multi-physikalischen Systemsimulationen im Fokus der Untersuchungen. Für diese Untersuchungen werden Methoden im Bereich der analytischen Modellierung, der numerischen Finite Elemente Methode und des Rapid Solver Prototyping genutzt, ent- und weiterentwickelt.

Das IEM kann auf einen fundierten Erfahrungsschatz in der Entwicklung eigener Berechnungswerkzeuge zurückgreifen. So steht mit iMOOSE eine innovative, moderne und objektorientierte Softwarebibliothek basierend auf der Methode der finiten Elemente zur numerischen Feldberechnung zur Verfügung. Diese ermöglicht beim Lösen statischer, harmonischer und transienter Effekte zum einen die Berücksichtigung ferromagnetischer Effekte, Anisotropieeffekte, Wirbelstromeffekte und linearer und rotierender Bewegungen und zum anderen die Berechnung elektromagnetischer Größen wie Drehmomente, Flüsse, Induktivitäten und magnetische Kräfte. Parametrierte Modelle ermöglichen die Simulation im Zwei- und Dreidimensionalen Bereich unter Betrachtung geometrischer Variationen, Exzentrizitäten, Fehlmagnetisierungen und weiteren Einflüssen wie Schrägung oder Verformung. Der große Vorteil dieser am IEM eigens entwickelten Solverumgebung gegenüber kommerzieller Software liegt in der sehr detaillierten Kenntnis über die implementierten Methoden, dem Zugang zu allen Funktionen des Solvers und der damit einhergehenden Möglichkeit neu entwickelte Methoden effizient zu integrieren.

Zur Reduktion der Modellordnungen der genutzten finite Elemente Modelle, welche echtzeitfähige Simulationen ermöglicht, werden Verfahren der Modellordnungsreduktion wie die Proper Orthogonal Decomposition oder die Proper Generalized Decomposition entwickelt und eingesetzt.

Im Rahmen der multiphysikalischen Systemsimulation werden die Modelle und Berechnungsmethoden verschiedener physikalischer Domänen zur Lösung des Problems kombiniert. In diesem Kontext wurde beispielsweise ein zeittransientes Systemmodell des Antriebsstrangs entwickelt, welches neben der elektrischen Maschine auch die Leistungselektronik, Regelung, Sensorik und Mechanik abbildet. Die Modellierung der Maschine berücksichtigt dabei neben Sättigungseffekten, Stator- und Rotornutung sowie der Temperatur auch Fertigungseinflüsse. Mit diesem Modell können über die Analyse der elektromagnetischen Kraftanregung und der Kombination mit einem strukturdynamsichen Modell ebenfalls Fragestellungen im Bereich der Akustik beantwortet werden.

Neben der Simulation und Berechnung der Problemstellungen in der elektromagnetischen Energiewandlung steht auch die Darstellung bzw. Visualisierung der globalen und lokalen Größen, wie der elektromagnetischen Potentiale, Flüsse, Kräfte und Verluste im Fokus der Arbeitsgruppe.

Durch die enge Zusammenarbeit mit den anderen Arbeitsgruppen gehört die Entwicklung flexibler Simulationswerkzeuge und -methoden, sowie anspruchsvoller Berechnungsmodelle zu den Kernkompetenzen des IEM.