19 CAD FEM JOU RNAL LEISTUNGSELEKTRONIK - TEMPERATUR-ABHÄNGIGE VERLUSTE IM PACKAGE Zu viele Zeitschritte sind auch der Schmerzpunkt der thermisch-elektrischen Simulation von Leistungselektronik, z.B. in Halbbrücken. Mit dem Aufkommen der SiCTechnologie verschiebt sich der Schwerpunkt der umgesetzten Verlustleistung weg vom Halbleiter hin zur Jouleschen Erwärmung von Leiterbahnen und Bus Bars. Die Erwärmung führt zu einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit, was wiederum das Verhalten der Schaltung und ihrer Verluste stark beeinflusst. Die sehr unterschiedlichen Zeitskalen dieser sich gegenseitig beeinflussenden Effekte (Nanosekunden vs. viele Sekunden) verbietet die Modale Stromdichteverteilung und Wärmegenerationsrate im PCB einer Halbbrücke - Basis für den digitalen Zwilling gekoppelte Abbildung im FE-Modell. Auch hier hilft der Weg über die MOR. Durch die nichtlineare Natur der Kopplung (die Wärmestromdichte ist das Quadrat der Stromdichteverteilung) ist die Reduktion beider Domänen gemeinsam nicht möglich. Die Lösung bietet auch hier eine neue, geeignet gewählte Basis: Die der orthogonalisierten Stromdichteverteilungen aus der Beschaltung. Jeder Strommode wird ein temperaturabhängiger Widerstand zugewiesen, die umgesetzten Leistungen findet als Lastvektoren Eingang in ein thermisches ROM. Die Beschleunigung ist hier noch deutlich eindrucksvoller: Ein Faktor 30.000 ermöglicht einen genauen Blick in die thermischelektrische Wechselwirkung als eine wichtige Quelle örtlich aufgelöster Verluste. INDUKTIONSHÄRTEN - VIRTUELLER TEMPERATURSENSOR Für die Online-Optimierung von Fertigungsprozessen wie dem induktiven Härten liefern virtuelle Sensoren wertvolle Hinweise. Das Härteergebnis hängt von vielen Fertigungs- und Materialparametern ab – ersteres ist kontrollierbar, jedoch in Kombination mit Chargenschwankungen der Materialien ist aktuell das Fingerspitzengefühl des Anlagenführers eine wichtige technologische Einflussgröße. Für verbesserte Prozesskontrolle (schneller, weniger Nacharbeit ) haben Anlagenbetreiber ein großes Interesse, die Temperaturverteilung und den Einfluss der Fertigungsparameter darauf „live“ vorherzusagen. Für die notwendige MOR wurde auch hier ein Sonderweg beschritten: Die elektromagnetischen Effekte sind hochgradig nichtlinear, örtlich von der Temperaturverteilung abhängig und quasistationär, das Temperaturfeld ist näherungsweise linear, jedoch zeitabhängig. Durch zwei MEHR ZUM THEMA Systemsimulation CADFEM.NET/SYSTEME Model Reduction inside Ansys CADFEM.NET/MOR AUTORIN Dr.-Ing. Hanna Baumgartl betreut seit 2014 bei CADFEM Kunden im Bereich der Systemsimulation und ist in zahlreiche Projekte involviert. Hanna hat an der TU Ilmenau Maschinenbau studiert und zum Thema Systemsimulation promoviert. Digitaler Zwilling für das induktive Härten eines Zahnrades Sets an Basisvektoren (Temperaturverteilung und Wärmegenerationsrate) erfolgt in der Systemsimulation die ortsaufgelöste Kopplung zweier Modelltypen über die Koeffizienten der Basen. Die Nichtlinearität der Wärmegenerationsrate als Funktion der Temperatur wird über MOP-Modelle aus optiSLang repräsentiert, ein Zustandsraummodell mit Wärmegenerations-Lastvektoren liefert den transienten Verlauf der Temperaturverteilung und die Kombination beider Modelle liefert den notwendigen schnellen Einblick.
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