Was ist Motormodellierung und -simulation?

Durch die Modellierung und Simulation von Motoren können Ingenieursteams verschiedene Aufgaben durchführen, wie das Analysieren der Motorleistung auf Systemebene bis hin zum detaillierten Entwurf einer Elektromotor-Regelung. Je nach Aufgabe müssen durch das Motorsimulationsmodell verschiedene physikalische Effekte dargestellt werden. Systementwicklungsteams analysieren Motoren innerhalb eines größeren Systems und benötigen abstraktere Motorenmodelle, die Simulationen beschleunigen und Informationen wie Drehmoment und Antriebsleistung bereitstellen. Konstruktionsteams im Bereich Motorregelung benötigen Motorenmodelle, die die Auswirkung von Änderungen bei Spannung und Stromstärke erfassen.

Simulink^® und Simscape Electrical unterstützen mehrere Genauigkeitsgrade der Modellierung und Simulation von Motoren, um verschiedene Anwendungsbereiche, wie Motorendimensionierung und den Reglerentwurf von Traktionsmotoren für Elektrofahrzeuge, zu berücksichtigen. Verschiedene Genauigkeitsgrade der Motorenmodelle stellen sicher, dass Ingenieursteams die für ihre konkrete Anwendung erforderliche Detailstufe zur Auswahl steht.

Modellierung für den Systementwurf

Beim Systementwurf zur Modellierung und Simulation von Motoren soll die Motorleistung unter verschiedenen Arbeitsbedingungen erfasst und der Energieverbrauch des Motors im Betriebsbereich prognostiziert werden. In diesem Szenario verwenden Ingenieure vereinfachte Dynamiken des Systemverhaltens, wie beispielsweise:

• Keine Pulsbreitenmodulation (PBM) oder Leistungselektronikschaltung
• Modellierung einer energiebasierten stationären Äquivalent- und Effizienzdarstellung

Für diesen vereinfachten Ansatz der Motorenmodellierung können Sie den Block Motor & Drive (System Level) verwenden, einen über eine Bandbreite von Drehmomenten und Drehzahlen dargestellten, generischen Motor. Dadurch entsteht ein Drehmoment-Drehzahl-Betriebsbereich (Envelope), der einerseits das Motorgesamtverhalten erfasst und andererseits die Modellierung und Simulation des Systems vereinfacht. Daraus ergeben sich schnellere Simulationen, die Verluste dennoch genau prognostizieren.

Modellierung zum Entwurf von Motorantrieben

Der Entwurf von Regelungssystemen spielt bei der Beherrschung von Drehzahl, Drehmoment und Energieverbrauch elektrischer Motoren für Anwendungen im Bereich Industriemotorenantrieb eine wichtige Rolle. Zur Priorisierung des Regelungsentwurfs und zur Ermöglichung schnellerer Simulationen bei Beibehaltung von Genauigkeit entwickeln Ingenieure optimierte und zuverlässige Motorregelungssysteme mithilfe von Motormodellen, die Folgendes umfassen:

• ideales Schaltverhalten
• konzentrierte Parametermodellierung
• lineare Drehmoment-Stromstärke-Beziehung

Zur Vereinfachung der Motormodellierung mit konzentrierten Parametern bietet Simscape Electrical vorparametrisierte Motorblöcke mit den Motordaten des Herstellers. Stehen keine Herstellerdaten zur Verfügung, können mit dem Motor Control Blockset™ instrumentierte Tests zur Abschätzung der Motorparameterwerte durchgeführt werden.

Modellierung für Traktionsmotoranwendungen

Genaue, realitätsnahe Motormodelle ermöglichen die Replikation nichtlinearen Verhaltens für Elektrofahrzeuganwendungen, wenn die Energieverluste des Traktionsmotors die Fahrzeugreichweite reduzieren. Im Gegensatz zur Verwendung eines linearen Motorenmodells mit konzentrierten Parametern können Ingenieursteams Motorensimulationsergebnisse der Finite-Elemente-Methode (FEM) einbeziehen, die die nichtlineare Abbildung zwischen Rotorposition, Flusskopplung, Stromstärke und Drehmoment umfasst. Die absolut realitätsnahe Motorensimulation kann durch die Verwendung zusätzlicher FEM-Daten erzielt werden, darunter räumliche Oberschwingungen, um die Entwicklung von Algorithmen zur Abschwächung von Drehmomentrestwelligkeit zu unterstützen und die Motorregelungseffizienz zu optimieren. Zur genauen Darstellung des Regelungssystems eines Traktionsmotors ist der Einsatz folgender Techniken möglich:

• nichtideales Schaltverhalten: physikbasierte Modellierung von Leistungshalbleitern.
• Sättigung: nichtlineare Abhängigkeit von Stromstärke bzw. Rotorenwinkel.
• räumliche Harmonik: einschließlich Drehmomentrestwelligkeit durch Verzahnung und harmonische Schwingungen in der Flusskopplung.

Durch die realitätsnahe Motorenmodellierung können extreme Betriebsbedingungen mithilfe der Simulation mit Simulink untersucht werden. Um eine realitätsnahe Motorenmodellierung und die Co-Simulation von Motorenmodellen zur Validierung zu erhalten, können FEA-Daten aus externen Tools ANSYS Maxwell, Motor-CAD und JMAG-RT in den FEM-parametrisierten Motorblock von Simscape Electrical importiert werden.

Weitere Informationen zur Modellierung und Simulation von Motoren mit MATLAB und Simulink finden Sie unter Simscape Electrical und Motor Control Blockset.