Ingenieurbüro für CFD-Strömungsberechnungen
Die elektrische Berechnung auf der Basis von magnetischen Ersatzschaltbildern und Erfahrungswerten ist für bekannte Maschinentypen schnell und einfach durchführbar. Nach einer groben Auslegung kann die Optimierung erfolgen, eine Reihe von unterschiedlichen Geometrien und Betriebspunkten können in kurzer Zeit berechnet werden. Entwickler großer Generatoren bevorzugen dabei firmeneigene Berechnungsprogramme, da diese die Erfahrung und firmenvertraulichen Messwerte von Jahrzehnten beinhalten. Entwickler herkömmlicher kleiner und mittleren Motoren bevorzugen kommerzielle Software.
Für die Maschinenauslegungen kleiner und mittlerer Motoren sollte das magnetische Feld mit der Finite-Elemente Methode berechnet werden. Für einen langgestreckten Motor kann die Genauigkeit von 2D-Berechnungen ausreichend sein. Bei grösseren Maschine sollte die Maschine für mehrere Schnitte berechnet werden. Für genauere Ergebnisse kann die Berechnung in 3D mit einer kommerziellen Software erfolgen.
Magnetisches Feld eines Assynchronmotors (© Institut für Energie und Automatisierungstechnik der TU-Berlin)
Die Eisenverluste können analytisch mit den Gleichungen von Steinmetz, Howe oder Bertotti berechnet werden. Die Eisenverluste werden als spezifische Verluste des Stahls [W/kg] berechnet, multipliziert mit dem Gewicht und einem empirischen Koeffizienten. Der spezifische Verlust wird im Stahldatenblatt für 1,5 T und 50 Hz angegeben. Dieser Wert wird dann an die tatsächliche Flussdichte und Frequenz angepasst. Der empirische Koeffizient für die Ermittlung der tatsächlichen Eisenverluste bezieht sich auf Defekte in der Herstellung, Stärke und Art der Laminierung, sowie Oberwellen. Er liegt normalerweise zwischen 1,3 und 2,0 und variiert je nach Maschinentyp und Lokalisierung (Zahn oder Joch).
Schwieriger und ungenauer wird allerdings die Zuordnung der Zusatzverluste. Die Elektrotechniker haben immer noch viel mit diesem Thema zu kämpfen und können in der Regel keine befriedigende Eingabe für die thermische Berechnung liefern. Lastabhängige Zusatzverluste entstehen bei Umrichtereinspeisung. Lastunabhängige Zusatzverluste des Magnetkreises entstehen im Luftspalt. Während der Messung erweist sich die Ermittlung der Zusatzverluste als schwierig, insbesondere für schnell rotierende Maschinen. Eine typische Methode, um die Zusatzverluste zu ermitteln, besteht darin, die gemessenen Eisenverluste von den berechneten Hysterese- und Wirbelstromverlusten abzuziehen. Leider gehen mit dieser Methode alle Mess- und Berechnungsfehler in die Zusatzverluste ein. Darüber hinaus fallen Elemente in Bezug auf Hysterese und Wirbelstromverluste, die die traditionellen Gleichungen nicht abdecken, wie kleinere Hystereseschleifen, ebenfalls in die Kategorie der Zusatzverluste über.
