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  Darstellen von Verlustleistungsdichte und Temperatur eines Drahtes in Stator

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Autor Thema:   Darstellen von Verlustleistungsdichte und Temperatur eines Drahtes in Stator (549 mal gelesen)
BlackGin
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erstellt am: 02. Mai. 2019 21:20    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities


AnsichtModell.JPG


AnsichtModell_ganz.JPG


FalscheTemperaturverteilung.JPG

 
!Achtung, blutiger Ansys-Anfänger hier!

Hallo zusammmen,

Folgender Sachverhalt:
Ich habe einen Draht (siehe Bild, blau gefärbt), der in zwei Nuten eines Elektromotor-Stators eingesetzt ist (der Stator ist hierbei auf ein Viertel seines Umfangs reduziert).
Der Draht ist (mit Ausnahme eines Stücks am oberen Ende) mit einer Isolation (grün) versehen. Auch eine Nutisolation (orange bzw. mintgrün) ist eingebaut, vereinfacht ist dabei die fast komplette Nut ausgefüllt.

Durch den Draht soll eine Stromstärke von 125A mit einer Frequenz von 1000Hz fließen (beide Werte konstant). Falls sich hierbei ein Gleichgewichtszustand nach einer gewissen Zeit einstellt, soll dieser Zeitpunkt als Simulationszeit genommen werden, ansonsten soll sie 10 Sekunden betragen.

Das Ziel ist dabei, die Temperatur und Verlustleistungsdichte darzustellen. Dadurch soll Temperatur des Drahtes und der Wärmeübertrag in die Isolationen und den Stator sowie die Stellen mit dem größten Leistungsverlust analysiert werden.

Ich habe die thermisch-elektrische Simulation dafür gewählt. Die Stromstärke von 125°C bringe ich an einem der unteren Enden des Drahtes ein, an beiden dieser Enden eine normale Umgebungstemperatur von 22°C.

Nach 10 Sekunden Simulationszeit bietet sich mir das im Anhang zu sehende Temperaturbild...was definitiv nicht so ausschauen sollte. Vom Draht geht ja die Wärme aus, aber es ist stattdessen die ganze Baugruppe heiß, vor allem im oberen Bereich. Eine Verlustleistung erkennt die Simulation gar nicht.
Noch dazu hat die Simulation über 1 Stunde gedauert, das ist etwas viel oder täusche ich mich da?

Für die einzelnen Komponenten (Stator, Draht, Drahtisolation, Nutisolation) sind entsprechende Materialien (Baustahl aus der ANSYS-Bibliothek, CU-ETP, Polyamidimid sowie Nomex-Isolationspapier) festgelegt.

Wo ich die Frequenz festlege hab ich ehrlich gesagt nicht gefunden...geht das in thermisch-elektrischer Simulation überhaupt? Oder muss man sich was mit ein paar Kopplungen zusammenbasteln (z.B. Elektrisches Strömungsfeld + thermisch-stationär o. Ä.?)

Was wäre Eure Einschätzung dazu bzw. wie würdet Ihr vorgehen?

Danke schon mal für jeden Ratschlag! 

Beste Grüße,

BlackGin

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wosch
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Rechne zuerst ein Problem nach, für das eine analytische Lösung existiert.

erstellt am: 04. Mai. 2019 08:23    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für BlackGin 10 Unities + Antwort hilfreich

Die Verlustleistungsdichte im Stab lässt sich doch aus dem Strom und den Abmessungen des Stabes einschließlich des spezifischen Widerstandes des Leitermaterials von Hand ermitteln.
Wird diese dann als thermische Last auf den Stab aufgebracht, wird alles nur noch zum transienten thermischen Problem.
(Es sei denn, die Widerstandsänderung durch die Temperaturerhöhung muss berücksichtigt werden.)

------------------
Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

[Diese Nachricht wurde von wosch am 04. Mai. 2019 editiert.]

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BlackGin
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erstellt am: 14. Mai. 2019 17:53    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities


Verschweisung.PNG


Statornut.PNG


Ort_fuer_Waermestromdefintion_und_Stromstarkedefinition.PNG

 
Hallo,

Sorry für die späte Rückmeldung. Die Anforderungen an das Modell wurden geändert und ich hab selbst inzwischen noch mehr rumprobiert. Ich bin auch ein wenig der Lösung näher gekommen, ein paar Fragezeichen bleiben dennoch.

Zitat:
Original erstellt von wosch:
Die Verlustleistungsdichte im Stab lässt sich doch aus dem Strom und den Abmessungen des Stabes einschließlich des spezifischen Widerstandes des Leitermaterials von Hand ermitteln.
Wird diese dann als thermische Last auf den Stab aufgebracht, wird alles nur noch zum transienten thermischen Problem.
(Es sei denn, die Widerstandsänderung durch die Temperaturerhöhung muss berücksichtigt werden.)

Danke für Ihren Ratschlag Herr Schätzing. Das dachte ich mir eigentlich auch...allerdings besteht mein Projektarbeits-Betreuer darauf, dass wir die thermisch-elektrische Simulation verwenden. Das wurde bei uns auch schon mal so gemacht, auf Basis des damaligen Vorgehens baue ich auch die hier behandelte Simulation auf, allerdings bestand das Modell damals rein aus dem Draht, ohne Isolierung und Stator.

Am Modell hat sich Folgendes geändert:
1.
Der durchlaufende Draht besteht jetzt aus zwei Teilen, der an seiner Spitze oben verschweißt ist. Diese Verschweißung (vereinfacht dargestellt als Scheibe zwischen den Drahtteilen, siehe Bild 1) hat einen eigenen (im Vergleich zu Kupfer um zwei Zehnerpotenzen höheren) spezifischen Widerstand.

2.
In den betreffenden Nuten laufen jetzt jeweils 4 Drähte hindurch, allerdings sind die zusätzlich hinzugekommenen 3 Drähte auf ihre Länge innerhalb der Statornut reduziert, sind also komplett gerade. Auch diese sind mit einer Drahtisolierung versehen (siehe Bild 2). In der Realität würden diese genauso nach Heraustreten aus der Unterseite des Stators nach außen gebogen, auf der Oberseite wären sie ebenso miteinander verschweißt. Das wurde der Einfachheit hier aber weggelassen.

3.
Zum Zeitpunkt meines ersten Posts hatte ich die Temperatur-/Wärmerandbedingungen ja noch komplett falsch betrachtet.
Jetzt sind alle Oberflächen des Modells, die nur mit Luft in Berührung sind, mit einer Konvektion von 10 W/m² versehen.
Gefehlt hat auch die Wärmeleitung vom Draht an die anderen Modellbestandteile, die ihn umgeben. Und da ist der Knackpunkt. Ich bin mir nicht sicher, wie man die Randbedingungen setzt, sodass das richtig bewerkstelligt wird. Eine Bedingung 'Wärmeleitung' gibt es ja nicht.
Ich habe für die Wärme, die ja vom elektrischen Strom in den Drähten ausgehen soll, einen Wärmestrom als Bedingung gesetzt, und zwar immer auf die 'Startfläche' des jeweiligen Drahtes, dort wo auch der elektrische Strom angelegt ist (siehe Bild 3), welcher dann zum anderen Ende des jeweiligen Drahtes fließt (dort ist ein elektrisches Potenzial von 0V angelegt). Meine Vorstellung ist, dass die Wärme sich ausgehend von dieser Fläche auf das gesamte Drahtvolumen verteilt.

Um nun die Wärmeleitung zwischen den Modellobjekten in der Statornut (Draht --> Drahtisolierung --> Nutisolierung --> Stator) hinzukriegen, habe ich jeweils auf der Innenseite dieser Körper (außer dem Draht selbst natürlich, da dieser ja ein Vollvolumen hat) ebenso den Wärmestrom angelegt. Das habe ich gemacht, weil ich davon ausgehe, dass dieser dort aufgetragen werden muss, wo Wärme ankommt und aufgenommen wird. Das Temperatur-Ergebnis davon sieht einigermaßen realistisch aus, allerdings frage ich mich trotzdem, ob dieses Vorgehen prinzipiell richtig ist, da es mir so vorkommt, als würde ich eine neue Wärmequelle auflegen, anstatt die übertragene Wärme des Drahtes simulieren zu lassen.
Wäre es korrekter, stattdessen an den ganzen Wärmeübergangsflächen eine Wärmestromdichte (=Verlustleistungsdichte nach Hand berechnet?) aufzutragen? Habe ich überhaupt die richtigen Flächen ausgewählt? Wie würdet Ihr die Bedingungen für den Wärmestrom im Draht selbst setzen?
Temperaturen kann ich an den Drähten nicht definieren, da ich diese ja begutachten möchte. Falls Ihr das trotzdem vorgeschlagen hättet, lasst es mich bitte wissen, wäre für mich interessant.

@wosch: Sie haben in einem anderen Beitrag mal das Thema diskutiert
( https://ww3.cad.de/foren/ubb/Forum101/HTML/009154.shtml ) und ein Programm(?) als Antwort gegeben, ist eine Anpassung desselben für meinen Fall nötig (von der APDL-Programmierung hab ich nun wirklich keine Ahnung...)?

Durch die Suchfunktion sehe ich, dass jemand vor einem ähnlichen Problem bzgl. Wärmeleitung stand, leider erscheint beim Aufrufen des Beitrags nur eine Fehlermeldung. Vielleicht liegt das aber nur am Browser o.Ä., kann bitte jemand anderes den Link versuchen zu öffnen und einen Inhaltsbericht geben?
( http://ww3.cad.de/foren/ubb/Forum101/HTML/007481.shtml#000004 )

Ich bedanke mich für jede Hilfe & Meinung! 

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wosch
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Rechne zuerst ein Problem nach, für das eine analytische Lösung existiert.

erstellt am: 14. Mai. 2019 18:29    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für BlackGin 10 Unities + Antwort hilfreich

Mit APDL ist eine transiente elektrisch-thermische Analyse Standard. Nur mit den Mitteln der Workbench offensichtlich nicht. (Vielleicht aber mit Elementwechsel)
An den Wickelköpfen die Bedingungen für ruhende Luft in einer rotierenden Maschine anzunehmen ????
Die Wärme des Leiterstabes wird durch die Isolation mittels Wärmeleitung an das Blechpaket übertragen.
Die Annahme einer strombedingten Wärmegenerierung in allen Leiterteilen ist sicherlich in Ordnung. Dagegen würde nur sprechen, wenn die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit infolge Temperaturänderung berücksichtigt werden muss.
Auf eine transiente Analyse kann verzichtet werden, wenn nur der stationäre Zustand (nach sehr langer Zeit) ermittelt werden soll.

------------------
Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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erstellt am: 14. Mai. 2019 19:04    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für BlackGin 10 Unities + Antwort hilfreich

Das geht auch mit den Mitteln der WB.

Für Faule:

-> System elektrisches Strömungsfeld auswählen (elektrisch stationäre Analyse)

-> Auf die Lösung des System dann das transient thermische System ziehen.

Die Lastschritte in der stationären Analyse den Zeitlastschritten des transient thermischen System anpassen.

Im Prinzip wird sowie so nichts anderes gemacht als das im elektrischen System aus dem Strom ein Wärmestrom berechnet wird der als Last im thermisch transienten system auf die Knoten gemappt wird. Das kann man auch mit wenigen Handgriffen bei einem identischen Netz manuell machen und jede beliebige Last aus einer Datei mappen.


Nachtrag:

Ansonsten ist für sowas in der WB eigentlich Maxwell vorgesehen, da dies bei komplexeren Themen z.B: bezüglich einer Bestimmung der Stromstärke im Stator etc. einfacher zu handhaben ist als APDL.

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 14. Mai. 2019 editiert.]

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BlackGin
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erstellt am: 16. Mai. 2019 09:36    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Zitat:
Original erstellt von wosch:

An den Wickelköpfen die Bedingungen für ruhende Luft in einer rotierenden Maschine anzunehmen ????

Auch das ist wieder eine Vereinfachung.

Danke für Eure Ratschläge und Meinungen! Das hilft mir schon mal gut weiter 

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