Sähkökäyttöisen konejärjestelmän vuorovaikutteinen simulointi

Abstract

Työn tavoitteena oli toteuttaa simulointimalli, jolla pystytään tutkimaan kestomagnetoidun tahtikoneen aiheuttaman vääntömomenttivärähtelyn vaikutuksia sähkömoottoriin liitetyssä mekaniikassa. Tarkoitus oli lisäksi selvittää kuinka kyseinen simulointimalli voidaan toteuttaa nykyaikaisia simulointiohjelmia käyttäen. Saatujen simulointitulosten oikeellisuus varmistettiin tätä työtä varten rakennetulla verifiointilaitteistolla. Tutkittava rakenne koostui akselista, johon kiinnitettiin epäkeskotanko. Epäkeskotankoon kiinnitettiin massa, jonka sijaintia voitiin muunnella. Massan asemaa muuttamalla saatiin rakenteelle erilaisia ominaistaajuuksia. Epäkeskotanko mallinnettiin joustavana elementtimenetelmää apuna käyttäen. Mekaniikka mallinnettiin dynamiikan simulointiin tarkoitetussa ADAMS –ohjelmistossa, johon joustavana mallinnettu epäkeskotanko tuotiin ANSYS –elementtimenetelmäohjelmasta. Mekaniikan malli siirrettiin SIMULINK –ohjelmistoon, jossa mallinnettiin myös sähkökäyttö. SIMULINK –ohjelmassa mallinnettiin sähkökäyttö, joka kuvaa kestomagnetoitua tahtikonetta. Kestomagnetoidun tahtikoneen yhtälöt perustuvat lineaarisiin differentiaaliyhtälöihin, joihin hammasvääntömomentin vaikutus on lisätty häiriösignaalina. Sähkökäytön malli tuottaa vääntömomenttia, joka syötetään ADAMS –ohjelmistolla mallinnettuun mekaniikkaan. Mekaniikan mallista otetaan roottorin kulmakiihtyvyyden arvo takaisinkytkentänä sähkömoottorin malliin. Näin saadaan aikaiseksi yhdistetty simulointi, joka koostuu sähkötoimilaitekäytöstä ja mekaniikasta. Tulosten perusteella voidaan todeta, että sähkökäyttöjen ja mekaniikan yhdistetty simulointi on mahdollista toteuttaa valituilla menetelmillä. Simuloimalla saadut tulokset vastaavat hyvin mitattuja tuloksia.

The objective of the work was to construct a simulation model in such a way that effects of permanent magnet synchronous motor induced cogging torque in mechanics can be studied. Furthermore, objective was to find out a way to create the simulation model using new simulation programs. The validity of the results from the simulation model where verified with a verifying structure built for this project. The studied structure consists of an eccentric rod that was attached to a shaft. The shaft was connected to the rotor of the electric drive. A mass was attached to the eccentric rod in a way that enables the movement of the mass. By moving the mass it was possible to vary the nominal frequency of the structure. The eccentric rod was modeled as a flexible part. The flexibility of the rod was described using modal flexibility. The mechanics was modeled by using the MBS-modeling program ADAMS. The flexible rod was imported to ADAMS from a FEM-program ANSYS. The mechanics model was imported to SIMULINK in which the electric drive was modeled. The electric drive used in this work was a permanent magnet synchronous motor and it was modeled in SIMULINK. The permanent magnet synchronous motor was described by linear differential equations. The cogging torque has been added to these equations as an interference signal. The model of the electric drive calculates the torque that is transported to the mechanical model. The mechanical model is used to calculate the angular acceleration of the rotor which is transported as a feedback signal to the model of the electric drive. In this way it is possible to construct a simulation model which couples an electric drive with mechanics. The results indicate that the used methods are suitable for analyzing a coupled simulation model that contains an electric drive and mechanics. The simulated results correspond well to the results measured from the verification system. these equations as an interference signal. The model of the electric drive calculates the torque that is transported to the mechanical model. The mechanical model is used to calculate the angular acceleration of the rotor which is transported as a feedback signal to the model of the electric drive. In this way it is possible to construct a simulation model which couples an electric drive with mechanics.