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Berechnen von Exzentrizitäten mit FEMAG

Mit FEMAG können sowohl statische als auch dynamische Exzentrizitäten, oder auch die Kombination von beidem, berechnen werden. Dabei reicht aber ein Teilmodell, wie es für die Simulation einer symmetrischen Maschine ausreichend ist, meistens nicht aus. Damit alle Kräfte die richtigen Werte resultieren, muss ein vollständiges Maschinenmodell erstellt werden.

Für die Erzeugung der Exzentrizität gibt es den Menüpunkt:
        Transformations ⇒ Displace Stator
bzw.
        Transformations ⇒ Displace Rotor
oder wenn man mit Script arbeitet die Funktion:
        pre_models("Displ_Stat/Rot")

Damit lässt sich der Stator oder Rotor leicht in eine gewünschte Richtung verschieben.

Die Bezeichnung Stator und Rotor beziehen sich auf eine klassische Innenläufer-Maschine. Bei einem Aussenläufer muss für die Verschiebung des Rotors der Befehl Displace Stator aufgerufen werden. (Die folgenden Beschreibungen beziehen sich immer auf eine Innenläufer-Maschine. Für einen Aussenläufer müssen die Erklärungen entsprechend uminterpretiert werden.)

Wichtig bei der Erzeugung der Exzentrizität ist, dass die mittlere Elementreihe im Luftspalt nicht verschoben oder verformt wird. Diese Elementreihe dient zur Kraft- und Drehmomentberechnung. Es sollte dort deshalb Rechteckelemente gleicher Grösse sein. Auch
wird das Modell bei den Berechnungen in dieser Elementreihe gedreht. Die Elementreihe muss deshalb konzentrisch zum Nullpunkt sein.

Statische Exzentrizität

Bei einer statischen Exzentrizität befindet sich der das Zentrum des Rotors weiterhin im Nullpunkt. Das Zentrum des Stators liegt dagegen neben dem Nullpunkt.

Abbildung 1: Statische Exzentrizität (roter Ring = Drehzentrum)

Zum Erzeugen einer statischen Exzentrizität bei einem Innenläufer ruft man also den Befehl Displace Stator auf und legt den Punkt ( Input Point P1 for radius (P0-P1) ) in die äussere der drei Luftspaltelementreihen.

Excentricity Static
Abbildung 2: Punkt für Radiusdefinition bei einer statische Exzentrizität
Nach der Eingabe der Verschiebung ( Displace und Orientation ) werden alle Punkte ausserhalb des definierten Kreises in der angegebenen Richtung verschoben.
Die Verschiebung darf dabei nicht grösser sein als die Breite der äusseren Elementreihe. Ansonsten kommt es zu Überschneidungen der Luftspaltknotenkette mit den Knotenketten des Stators, was zu falschen Ergebnissen führt.

Dynamische Exzentrizität

Bei der rein dynamischen Exzentrizität liegt der Mittelpunkt des Rotors neben dem Nullpunkt. Das Zentrum des Stators deckt sich aber weiterhin mit dem Nullpunkt. Bei den Berechnungen wird der Rotor weiterhin um den Nullpunkt gedreht, wodurch eine Unwucht ersteht.

Abbildung 3: Dynamische Exzentrizität (roter Ring = Drehzentrum)
Bei einem Innenläufer kann man eine dynamische Exzentrizität erzeugen, indem der Rotor mit Displace Rotor verschoben wird. In diesem Falle muss der Punkt ( Input Point P1 for radius (P0-P1) ) in der inneren der drei Luftspaltelementreihen liegen.

Excentricity Dynamic  

Abbildung 4: Punkt für Radiusdefinition bei einer dynamische Exzentrizität
Auch in diesem Falle darf die Verschiebung nicht grösser sein als die Breite der inneren Elementreihe sein.

Simulation grösserer Exzentrizitäten

Bei der Verschiebung vom Rotor oder Stator wird die innere oder äussere Elementreihe verformt. Dabei darf es zu keinem Kontakt zwischen den beiden Luftspaltknotenketten und dem Rotor oder Stator kommen. Damit ist man bei üblichen Modellen, wo die Luftspaltknotenketten bei 1/3 und bei 2/3 des Luftspalts liegen, auf eine Exzentrizität von maximal einem Drittel der Luftspaltweite begrenzt.
Will man grössere Exzentrizitäten untersuchen, so müssen die beiden Luftspaltknotenketten entsprechend angepasst werden. D.h. man teilt den Luftspalt nicht mehr in drei gleiche Teile, sondern legt die Luftspaltknotenketten so, so dass es nach dem Verschieben immer noch keinen Kontakt zwischen dem verschobenen Teil und den Luftspaltknotenketten kommt.
Dabei geht man wie folgt vor:

  • Beim Erstellen des Modells kann durch die Angabe einer negativen Luftspaltweite die Erzeugung der Luftspaltknotenketten unterdrückt werden.
  • Die beiden Luftspaltknotenketten werden manuell erzeugt, so dass bei der Simulation einer statischen Exzentrizität gegenüber dem Stator ausreichend Abstand besteht. Bei der dynamischen Exzentrizität muss der Abstand zum Rotor ausreichend sein.
  • Auf der Seite, wo der Abstand zur Luftspaltknotenkette grösser ist, resultieren meistens mehrere Schichten von Elementen. Bei solchen Anordnungen ergeben sich mit den Verschiebungsfunktionen überlappende Elemente. Um dies zu vermeiden, muss vor dem Verschieben das Netz dort gelöscht werden und nach dem Verschieben wieder neu erzeugt werden. (Dasselbe Problem tritt auch auf, wenn der Abstand der Luftspaltknoten gegenüber der Luftspaltweite klein ist. Auch dann ergeben sich mehrere Elementschichten im Luftspalt, welche sich nach dem Verschieben überlappen können. Es ist auf jeden Fall immer empfehlenswert das Netz nach dem Verschieben nochmals genau zu betrachten.)

Beispiel-Script zur Simulation von Exzentrizitäten:

Image Excentricity_Demo.fsl