Моделирование электромагнитных и тепловых процессов в синхронной SMPM машине

Специалисты нашей компании приняли участие в разработке численных моделей синхронного двигателя SMPM, с помощью которых возможно моделировать протекание электромагнитных и тепловых процессов в электрической машине, определять критические элементы конструкции и оценивать влияние изменения элементов конструкции (как по размерам, конфигурации, так и по материалам) двигателя на качество и надежность его работы.

Опытный образец двигателя на момент начала работ был уже собран и испытан. Выявлены существенные проблемы с тепловыми режимами работы и с сохранением намагниченности постоянных магнитов. Таким образом в работе ставились следующие цели:

  1. Подготовить электромагнитную модель SMPM.
  2. Воспроизвести результаты натурного эксперимента на электромагнитной модели. Определить все виды электромагнитных потерь.


    Метод задания возбуждения PWL.

  3. Провести серию численных экспериментов для выявления добавочных потерь в электрической машине, принять меры для их уменьшения. На виртуальной модели проверить влияние конструктивных доработок на величину добавочных потерь.
  4. Подготовить численную модель для анализа теплового состояния двигателя.
  5. Воспроизвести результаты натурного эксперимента на тепловой модели. Предоставить замеры температур в контрольных точках модели.

Электромагнитные потери в двигателе.

Омические потери в магнитах

Задача затруднялась созданием системы векторного управления, для повторения натурного эксперимента, но так как цели создания модели инвертора не стояло, этот этап был упрощён. Предоставленная геометрическая модель станины нуждалась в основательной доработке. Для поэлементной передачи потерь из электромагнитной задачи в тепловую было необходимо рассматривать задачу в трехмерной постановке, что привело к значительным вычислительным затратам.

Параллельно готовились модели для численного анализа магнитного поля и теплового состояния электрической машины.

Моделирование магнитного поля в ANSYS Maxwell

  1. Для подготовки электромагнитной модели SMPM использовался ANSYS RMxprt. Предоставленных данных было достаточно для воссоздания виртуальной модели активной части электрической машины.


    Упрощённая геометрическая модель.

    Сеточная модель 15 млн. ячеек.

  2. Схема для реализации векторного управления неявнополюсной машиной не собиралось, было принято решение воссоздать натурный эксперимент с использованием реальных профилей токов инвертера. Осциллограммы были преобразованы в кусочно-линейную функцию и использовались в явном виде в ANSYS Maxwell.
  3. Модель в ANSYS Maxwell была дополнена следующими элементами конструкции: станина, щитки, подшипники, элементы ротора.
  4. На начальном этапе, без использования тепловых расчётов, было выявлено, что некоторые конструктивные части ротора индуцируют в себе значительные вихревые токи и являются причиной недопустимого перегрева. Рекомендовано внести конструктивные изменения.
  5. После внесения изменений в конструкцию был проведен натурный эксперимент с замерами температур. Аналогичный опыт был поставлен и на виртуальной модели, целями моделирования в данном случае являлось определение всех видов потерь для использования их в качестве нагрузок в тепловой модели.

Решение тепловой задачи в ANSYS IcePak.

  1. Подготовка геометрической и сеточной модели. Эквивалентные геометрические и пространственные размеры необходимы для поэлементной передачи потерь из ANSYS Maxwell в ANSYS IcePak.
  2. В модели учитывались вращение ротора с номинальной скоростью, теплообмен излучением и вынужденная конвекция. В модели присутствовал независимый вентилятор с, заданным кусочно-линейной функцией, массовым расходом.
  3. Электромагнитные потери передавались поэлементно с сеточной модели ANSYS Maxwell на сеточную модель ANSYS IcePak.
  4. В контрольных точках определялись значения установившейся температуры элементов модели. Магнитная и тепловая задача пересчитывались итеративно с внесением поправок на увеличение удельного сопротивления материала.

Результаты моделирования. Поле температуры в осевом сечении.

Результаты моделирования. Распределение температуры на поверхности корпуса.

Результаты моделирования. Распределение температуры на поверхности ротора.

Результаты моделирования. Поле скорости воздуха внутри и снаружи двигателя.

Заключение:

Результаты натурного эксперимента были сопоставлены с результатами виртуального эксперимента для принятия решения о корректности работы подготовленных численных моделей синхронного двигателя SMPM. Была подтверждено хорошее согласование результатов, что указывает на правильность использованных методик моделирования для такого класса задач. В результате была разработана расчётная методика, позволяющая частично заменить натурные испытания численными экспериментами.