FEA-Simulation und Validierung der Hairpin-Wicklung eines PMSM mit Ansys Maxwell
Hairpin-Wicklungen mit parallelen Zweigen weisen häufig eine ungleiche Stromaufteilung auf, die durch Unterschiede in der induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) und im AC-Widerstand verursacht wird.
WiredWhite validierte das Wicklungslayout eines sechphasigen Permanentmagnet-Synchronmotors (PMSM) mit parallelen Hairpin-Wicklungen mithilfe einer fortschrittlichen dreidimensionalen elektromagnetischen Finite-Elemente-Analyse (FEA) in Ansys Maxwell.
Industrie
Automobilindustrie
Produkt
Hybrid-Elektrofahrzeuge, Elektrofahrzeuge, BAS
Dienstleistung
FEA-Modellierung & -Simulation
Technical Stack
Ansys Maxwell
Laufzeit
6 Monate
Kunde
Vertraulich / Tier-1-Zulieferer
Projektziele
- Wicklungssymmetrie & Topologie validieren: Überprüfung der sechphasigen Topologie sowie der schwachen und starken Wicklungssymmetrie vor der Fertigung.
- Strom Ungleichverteilung identifizieren: Analyse der exakten Stromverteilung in jedem einzelnen parallelen Zweig.
- Prototypenrisiko reduzieren: Frühzeitige Erkennung von Ausgleichsströmen, Kupferverlusten und lokalen Hotspots vor der Fertigung des physischen Prototyps.
- Über den gesamten Betriebsbereich validieren: Bewertung des Verhaltens der parallelen Zweige bei unterschiedlichen Drehzahlen und Lastbedingungen.
- Effizienz steigern: Reduzierung der Stromungleichverteilung in parallelen Hairpin-Wicklungen.
- Entwicklungszeit und Prototypeniterationen reduzieren: Verkürzung der Entwicklungsdauer und Reduzierung der Entwicklungskosten.
Die Herausforderung
Der untersuchte Motor wies unberücksichtigte Stromungleichverteilungen auf, die zu Ausgleichsströmen zwischen den parallelen Zweigen führten. Dies verursachte erhöhte Kupferverluste, ausgeprägte lokale thermische Hotspots sowie eine geringere Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit des Motors.
Randbedingungen:
- Größe / Gewicht: Lokale thermische Hotspots aufgrund ungleichmäßiger Stromverteilung erfordern eine konservative Überdimensionierung von Kühlmänteln oder Leiterquerschnitten, um thermische Schäden zu vermeiden. Dies führt zu unnötigem Volumen und zusätzlichem Gewicht der elektrischen Antriebseinheit.
- Kostenziele: Nicht erkannte Stromungleichverteilungen, die erst bei physischen Tests festgestellt werden, führen zu kostspieligem Ausschuss von Prototypen, aufwendigen Anpassungen der Statorwerkzeuge und verlängerten Redesign-Zyklen.
- Materialgrenzen: Durch lokal auftretende Ausgleichsströme verursachte Spitzentemperaturen können die thermischen Grenzwerte der Nutisolation, der Drahtlackisolierung und angrenzender Materialien überschreiten. Dies beschleunigt die thermische Alterung und erhöht das Risiko eines dielektrischen Durchschlags.
- Leistungsanforderungen: Hohe Ausgleichsströme erhöhen die parasitären Kupferverluste und beeinträchtigen dadurch direkt den Gesamtwirkungsgrad des Motors, das kontinuierliche Drehmoment und die langfristige Betriebszuverlässigkeit über den gesamten Fahrzyklus.
Physische Prototypen ohne vorherige Simulation machen Ausgleichsströme auf Ebene der einzelnen Zweige nicht sichtbar und bergen das Risiko kostspieliger Hardware-Redesigns, verzögerter Entwicklungspläne und möglicher thermischer Ausfälle während der Prüfstandstests.
Konventionelle Workflows gehen häufig von einer gleichmäßigen Stromverteilung über die parallelen Zweige aus. Unsere Fallstudie zeigt einen 3D-CAD-basierten Maxwell-FEM-Workflow, der die einzelnen Zweigstromkreise dynamisch auflöst.
Unsere Lösung
Um die Projektziele zu erreichen, wurde der folgende Ansatz und Workflow angewendet:
1️⃣ Rekonstruktion des vollständigen 3D-CAD-Wicklungsdesigns des Kunden.
2️⃣ Durchführung von Bewertungen der schwachen und starken Symmetrie für die sechphasige Topologie.
3️⃣ Erstellung eines vollständigen elektromagnetischen Finite-Elemente-Modells in Maxwell direkt aus den CAD-Daten.
4️⃣ Anbindung eines dedizierten externen Schaltungssimulators an das Maxwell-FEA-Modell, um unabhängige Ströme und Spannungen der einzelnen Zweige dynamisch zu berechnen.
5️⃣ Analyse der Flussdichteverteilungen und transienten Stromverläufe an mehreren Betriebspunkten.
Technical Stack
- FEA-Solver: Ansys Maxwell (elektromagnetische Simulation).
- Schaltungskopplung zur Co-Simulation: Integration eines externen Schaltungssimulators zur detaillierten Analyse der einzelnen Zweigstromkreise.
Modellparameter & Geometrie
- Modelltyp: Vollständiges 2D-elektromagnetisches Modell.
- Enthaltene Komponenten: Vollständige Statorwicklung, alle 6 Phasen und jeder einzelne parallele Zweig mit vollständiger 2D-elektromagnetischer Kopplung.
- Schaltungskopplung: Externe Schaltung zur direkten Berechnung unabhängiger Zweigspannungen und individueller Zweigströme.
Simulationsszenarien
Sechs transiente elektromagnetische Simulationen wurden für verschiedene Kombinationen aus Drehzahl und Phasenstrombelastung durchgeführt:
- 1000 rpm @ 180 ARMS
- 1000 rpm @ 90 ARMS
- 2000 rpm @ 180 ARMS
- 2000 rpm @ 90 ARMS
- 3000 rpm @ 180 ARMS
- 3000 rpm @ 90 ARMS
Ergebnisse
Wesentliche Erkenntnisse
- Augseprägte Stromungleichverteilung: An allen untersuchten Betriebspunkten wurde eine ungleichmäßige Stromverteilung festgestellt.
- Zwei Hauptursachen: Die Ergebnisse bestätigten, dass sowohl die Asymmetrie der induzierten EMK als auch Unterschiede im AC-Widerstand wesentlich zur Stromungleichverteilung zwischen den parallelen Zweigen beitragen.
- Konsistenz über Drehzahl und Last: Die Stromungleichverteilung bleibt über den gesamten Drehzahlbereich von niedrigen bis hohen Drehzahlen sowie unter Teillast- bis Volllastbedingungen bestehen.
- Thermische Auswirkungen und Verlustleistung: Es wurden erhebliche Ausgleichsströme identifiziert, die zu erhöhten Kupferverlusten, lokalen Hotspots und einer verringerten Betriebseffizienz führen würden.
| Parameter / Aspekt | Ausgangsentwurf (Analyse vor der Simulation) | Ergebnisse der elektromagnetischen Co-Simulation |
|---|---|---|
Stromverteilung | Angenommene gleichmäßige Stromaufteilung über die parallelen Zweige | Ungleichmäßige Stromverteilung wurde an allen 6 Betriebspunkten bestätigt. |
Ausgleichsströme | Nicht quantifiziertes Risiko | Hohe Ausgleichsströme wurden in den parallelen Zweigen festgestellt. |
Ursachenfaktoren | Unbekannt | Asymmetrie der induzierten EMK und Unterschiede im AC-Widerstand |
Thermisches Risiko | Hohes Risiko für unerkannte lokale Hotspots | Vorab identifiziert, wodurch eine Korrektur des Wicklungslayouts vor dem Bau ermöglicht wurde. |
Geschäftsauswirkungen der PMSM-Hairpin-Wicklungs-FEA-Simulation
🛡️ Risikoreduzierung vor der Fertigung
Ungleichverteilung der Zweigströme und Probleme durch Ausgleichsströme wurden identifiziert, bevor kostenintensive Werkzeuge und physische Prototypen beauftragt wurden.
💰 Einsparungen bei Entwicklungszeit und -kosten
Prototypeniterationen eingespart und kostspielige Hardwareausfälle während der Prüfstandstests vermieden.
⬆️ Höhere Auslegungssicherheit
Vollständige elektromagnetische Validierung und Überprüfung der Leistung der 6-Phasen-Wicklung unter realistischen Lastbedingungen.
Mehr technische Details finden Sie in der Case Study.
Was Sie in der Case Study lernen werden
In nur 5 Minuten Lesezeit bietet unsere Fallstudie einen detaillierten technischen Einblick in den Prozess und die Ergebnisse der Untersuchung einer Stromungleichverteilung in parallelen Hairpin-Wicklungen mithilfe elektromagnetischer Simulation.
Sie erhalten Einblicke in:
- Das 3D-CAD-Modell
- Eine Beschreibung unseres Vorgehens
- Das vollständige Modell in Ansys Maxwell
- Den externen Schaltkreis und das Ergebnis der Flussdichte
- Den Strom in den parallelen Zweigen
- Ein Überblick über unsere wichtigsten Erkenntnisse und Learnings.
Warum WiredWhite der perfekte technische Partner für Sie ist
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