Multiphysik-Simulation treibt Smart-City-Technologie voran

Moderne Stromkästen (oder Einspeisesäulen, wie sie außerhalb der USA genannt werden) werden auf der Straße montiert und steuern die Stromversorgung der Wohnungen innerhalb eines Viertels. Da die Bewohner zunehmend Wert auf Ästhetik legen und weiterhin großen Wert auf städtisches Wohnen legen, besteht ein Bedarf an weniger auffälligen Stromkästen.

Aber wie sich herausstellt, gibt es einen triftigen Grund für die sperrige Größe der Stromkästen. Die Größe des traditionellen Designs beinhaltet die erforderliche Hardware, um die hohe Leistung der Fernstromleitung auf eine Leistung zu reduzieren, die für die Verteilung an Haushalte und Unternehmen geeignet ist. Das erstrebenswerte Ziel, die Größe der Stromkästen zu reduzieren, geht mit der zusätzlichen Herausforderung einher, den Strom mit erheblich weniger Fläche zu verlegen und dabei Widerstand und Lorentzkräfte zu berücksichtigen, ein nicht unerhebliches Unterfangen.

Ishant Jain, leitender Forscher im Bereich Forschung und Entwicklung bei Raychem RPG, nutzte seine jahrelange Simulationserfahrung für die Herausforderung, einen intelligenten, stadttauglichen und platzsparenden Stromkasten zu entwickeln. Zusammen mit seinem Team bei Raychem nutzte er die Multiphysik-Simulation, um die technischen Herausforderungen zu bewältigen, die mit der Entwicklung dieses radikal neuen Designs einhergingen.

Dank dieses Artikels werden Sie an die aufdringliche Metallbox in der Nähe Ihres Gehwegs erinnert. Doch wie genau funktioniert eine Powerbox?

Das Gehäuse eines Stromkastens bietet Schutz für ein elektrisches Verteilungssystem. Sein Zweck besteht darin, den Strom einer Niederspannungsversorgungsleitung, die für den elektrischen Transport über kurze Distanzen geeignet ist, in Haushalten und Unternehmen zu verteilen. Stromboxen werden sowohl zur Reduzierung physischer Stromverluste als auch zur präziseren Verteilung und Abrechnung des Stromverbrauchs eingesetzt.

„Es ist von großem Vorteil, dass Stromkästen weniger Platz beanspruchen“, sagte Jain. „Wir könnten eine modulare Einheit mit allen Funktionen des Originalmodells schaffen, die an die Bedürfnisse von Städten im 21. Jahrhundert angepasst ist.“

Jain und sein Team stellten schnell fest, dass viele Aspekte des Designs eines klassischen Stromkastens verbessert werden mussten. Zu diesen Verbesserungen gehörten eine Reduzierung der Kosten und der elektrischen Verluste aufgrund minderwertiger Anschlüsse sowie Verbesserungen in Bezug auf Sicherheit, Größe, Installationsfreundlichkeit, Wartungsfreundlichkeit und Ästhetik.

Jain und sein Team waren auch motiviert, einen futuristischen Stromkasten zu entwickeln, der von Smart Cities problemlos übernommen werden würde. Diese neue Strombox würde intelligente Funktionen enthalten, die eine Online-Überwachung des Energieverbrauchs sowie die Überwachung des Zustands des Systems und einzelner Sicherungen ermöglichen.

Die unmittelbare Herausforderung bei der Anpassung der Geometrie eines Stromverteilungssystems an ein extrem kleines Gehäuse besteht in der Notwendigkeit, konkurrierende elektromagnetische Kräfte abzuschwächen, die sich aus der Änderung des Designs ergeben.

Aufgrund der dynamischen Natur der Physik und der Komplexität der Geometrie war für die Ingenieure sofort die Notwendigkeit einer Multiphysik-Simulation zur Gewährleistung der Stabilität des Designs klar.

Um eine so starke Verkleinerung des Stromkastens zu realisieren, mussten die Ingenieure ein Sammelschienensystem entwickeln, das die gleiche Strommenge verteilt und dennoch in eine kleinere Geometrie passt (Abbildung 1).

Jain und sein Team erstellten eine 2D-Simulation, um sicherzustellen, dass ihr Design geeignet war, die kumulative Wirkung der elektromagnetischen Kräfte zu reduzieren. Die 120°-Ausrichtung der Paneele dient dem Ausgleich der auf die Stromschienen wirkenden Kräfte.

„Die Simulation gab uns die Gewissheit, dass das Design funktionieren würde“, erklärte Jain. „Wir konnten erkennen, dass die elektromotorischen Kräfte durch die 120°-Ausrichtung ausgeglichen würden.“

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist die allgemeine strukturelle Stabilität des Stromkastens. Zu diesem Zweck entwickelten Jain und sein Team eine Struktursimulation des Stromkastens, die es ihnen ermöglichen würde, seine Haltbarkeit zu bewerten. Aus einer zeitabhängigen Untersuchung von Windgeschwindigkeiten von bis zu 103 m/s, die gegen die Struktur wehten, wurde festgestellt, dass der Stromkasten strukturell einwandfrei war (Abbildung 2). Außerdem erhöhten die Ingenieure langsam die Grenzlast, bis die induzierte Spannung einen kritischen Wert erreichte und feststellte, dass die Konstruktion bis zu einer Windgeschwindigkeit von 570 m/s sicher ist.

Um die thermische Integrität des Systems im Betrieb sicherzustellen, wurde eine Analyse der transienten Wärmeübertragung der gesamten Plattenbaugruppe durchgeführt. Die validierte Simulation ermöglichte es dem Team, den Temperaturanstieg für Bedingungen zu berechnen, die experimentell nicht bewertet werden konnten. Die thermisch optimierten Steckverbinder machen das endgültige Design sicherer und effizienter als seine Vorgänger (Abbildung 3). Das resultierende Design ist zudem modular und skalierbar.

Jain und seinem Team gelang es, ein Design zu entwickeln, das viel kleiner ist, aber dennoch die gleiche Menge an Leistung und Strom ableiten kann wie herkömmliche Stromboxen. Das endgültige Power-Box-Design nimmt von allen Power-Boxen auf dem Markt am wenigsten Platz ein und ist thermisch einwandfrei und effizient.

„Mithilfe der Multiphysik-Simulation konnten wir die Integrität des endgültigen zeitgenössischen Designs sicherstellen“, fügte Jain hinzu. „Wir glauben, dass der Nutzen und die Auswirkungen weitreichend sein werden, wenn es auf der ganzen Welt übernommen wird.“

Das endgültige Design (Abbildung 4) umfasst intelligente Funktionen wie ein Sicherheits- und Diebstahlschutzsystem sowie die Möglichkeit zur Fernüberwachung von Energie, Sicherungszustand und thermischem Profil. Es umfasst Sicherungsgehäuse, die isoliert sind und bei laufendem System sicher verwendet werden können, sowie Anschlüsse mit geringeren Widerstandsverlusten.

Es genügt zu sagen, dass es Jain und seinem Team bei der Entwicklung eines Stromkastens, der nur einen Bruchteil der Größe des Industriestandards hat und über ein neu konzipiertes und effizientes Sammelschienensystem verfügt, gelungen ist, den Stromkasten neu zu erfinden und dabei bei jedem Schritt Multiphysik-Simulation einzusetzen.

Dieser Artikel wurde von COMSOL, Inc. (Burlington, MA) bereitgestellt. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Tech Briefs Magazine.

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