Электрические машины

При разработке электрических машин хорошим помощником инженера являются современные инструменты моделирования, такие как ANSYS, которые широко используются для быстрого и точного прогнозирования характеристик будущих устройств. Численные методы, заложенные в основу вычислительных модулей, а именно метод конечных элементов, позволяют решать задачу по достижению наибольшей эффективности электрических машин, используя минимальное количество дорогостоящих материалов.

Наилучшие результаты можно получить при использовании ANSYS на ранней стадии процесса проектирования, когда на достижение оптимальной конструкции машин влияет весь рабочий процесс всестороннего междисциплинарного анализа.

Зачастую ошибки, накопленные в процессе разработки, приводят к тому, что параметры машины выходят за пределы заданного рабочего диапазона. В итоге появляется необходимость дорогостоящего перепроектирования в конце цикла разработки. Применяя решения ANSYS вы получаете многофункциональную виртуальную лабораторию для проектирования, разработки, оптимизации и тестирования электрических машин.

Типичные задачи и типы электрических машин.

Высокоэффективный синхронный двигатель с инкорпорированными постоянными магнитами (IMP) имеет широкий рабочий диапазон. В нём используются спечённые редкоземельные постоянные магниты с высокими энергетическими характеристиками. Вращающий момент формируется из реактивного момента, вызванный разностью индуктивностей по d- и q-осям, и магнитного момента, обусловленного взаимодействием магнитных потоков обмотки статора и постоянных магнитов ротора.

Эффективность электрической машины сильно зависит от скорости вращения и нагрузки на валу, поэтому при разработке двигателей и систем управления необходима карта эффективности в диапазоне регулирования. Карта подготавливается таким образом, чтобы она была максимально информативна и понятна с первого взгляда, зачастую используется в индексе производительности данных каталогов. Двигатель IPM нуждается в расширенном анализе для понимания его состояния при изменении типа регулирования (контроль Id=0, контроль максимального вращающего момента, управление ослаблением поля и т.д.) в зависимости от скорости вращения, нагрузки.

Вспомогательный инструмент Electric Machine Design Toolkit для анализа электрических машин с постоянными магнитами в среде ANSYS Maxwell позволяет проводить необходимые вычисления в автоматическом режиме для построения карты эффективности и характеристики вращающего момента (torque – speed curve), обеспечивает значительное ускорение во времени разработки, благодаря возможности графического отображения карт эффективности. Кроме того, этот инструмент совместим с распределенными вычислениями на сборках кластерного типа (* необязательно) и может выполнять высокоскоростной расчет тысяч расчётных случаев с высокой масштабируемостью от вычисления карты эффективности до вывода графиков.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell> ANSYS Optimetrics

Высокоэффективный синхронный двигатель с инкорпорированными постоянными магнитами (IMP) имеет широкий рабочий диапазон. В нём используются спечённые редкоземельные постоянные магниты с высокими энергетическими характеристиками. Вращающий момент формируется из реактивного момента, вызванный разностью индуктивностей по d- и q-осям, и магнитного момента, обусловленного взаимодействием магнитных потоков обмотки статора и постоянных магнитов ротора.
Традиционно, большая часть конструкции системы управления и оборудования мотора находятся в процессе самостоятельной разработки компонентов, отсюда и одна из технических проблем, которая заключается в том, что сложно согласовать проект, направленный на оптимизацию всей системы.

Однако эта задача может быть решена путем совместного использования инструментов для анализа электромагнитного поля ANSYS Maxwell и схем управления в симуляторе системного уровня ANSYS Simplorer. Существуют два основных метода, которые объединяют анализ электромагнитного поля и схему управления симулятора: ко-симуляция, метод прямого совместного решения нестационарной задачи (симулятор – конечноэлементная модель) и моделирование на основании эквивалентной модели (поведенческая модель), которая создаётся через анализ электромагнитного поля и присутствует в схеме управления, как один из её элементов. Таким образом с помощью ANSYS Maxwell и ANSYS Simplorer можно выполнить моделирование системного уровня с помощью любой техники в ответ на потребность пользователя.

С помощью любой из этих техник возможно выполнить сопряженное моделирование управления, которое учитывает пространственную гармонику и характеристики магнитного насыщения двигателя. При решении задачи методом ко-симуляции возможно принимать во внимание электромагниные потери, вычисленные с высокой точностью, в то время как моделирование на основе моделей пониженного порядка ROM (эквивалентных моделей) имеет особенность высокоскоростного моделирования системного уровня, управления.

ANSYS Maxwell и ANSYS Simplorer – продукты одной компании, которые имеют свои сильные стороны, включая систему поддержки и совместимость инструментов для сопряженного анализа, по сравнению с инструментами, объединяющими решения, созданные разными компаниями.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell> ANSYS Simplorer

ANSYS Simplorer (идеализированная модель двигателя)

ANSYS Maxwell + ANSYS Simplorer

Высокоэффективный синхронный двигатель с инкорпорированными постоянными магнитами (IMP) имеет широкий рабочий диапазон. В нём используются спечённые редкоземельные постоянные магниты с высокими энергетическими характеристиками. Вращающий момент формируется из реактивного момента, вызванный разностью индуктивностей по d- и q-осям, и магнитного момента, обусловленного взаимодействием магнитных потоков обмотки статора и постоянных магнитов ротора.

Этот тип двигателя имеет преимущество в том, что вращающий момент может быть дополнительно улучшен, работая с реактивным моментом машины, наряду с магнитным вращающим моментом. Для решения этой задачи проводится оптимизация отношения индуктивностей двигателя по D и Q осям, поэтому для оценки этой важной характеристики необходимо знать индуктивности в d- и q-осях на этапе проектирования

Возможности ANSYS Maxwell для электромагнитного анализа позволяют рассчитать величину индуктивности в нестационарном режиме, что затруднительно при измерении в натурном эксперименте из-за индуцированной ЭДС. Расчеты трехфазной индуктивности и индуктивности в d- и q-осях могут выполняться при помощи простых операций с использованием стандартного функционала.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell

Высокоэффективный синхронный двигатель с инкорпорированными постоянными магнитами (IMP) имеет широкий рабочий диапазон. В нём используются спечённые редкоземельные постоянные магниты с высокими энергетическими характеристиками. Вращающий момент формируется из реактивного момента, вызванный разностью индуктивностей по d- и q-осям, и магнитного момента, обусловленного взаимодействием магнитных потоков обмотки статора и постоянных магнитов ротора.

Особенность электрических машин IPM типа заключается в том, что их ротор инкорпорирован постоянными магнитами, соответственно существует большое разнообразие форм роторов. Форма ротора должны выбираться в соответствие с целевыми техническими требованиями. Эффективная разработка в среде ANSYS подразумевает подготовку начальной конструкции в ANSYS RMxprt, выбор подходящего типа ротора, получение предварительных электромеханических характеристик и т.д., завершение разработки рекомендуется проводить в детализированном проекте с использованием ANSYS Maxwell.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell> ANSYS RMxprt

Примеры моделей IPM

Высокоэффективный синхронный двигатель с инкорпорированными постоянными магнитами (IMP) имеет широкий рабочий диапазон. В нём используются спечённые редкоземельные постоянные магниты с высокими энергетическими характеристиками. Вращающий момент формируется из реактивного момента, вызванный разностью индуктивностей по d- и q-осям, и магнитного момента, обусловленного взаимодействием магнитных потоков обмотки статора и постоянных магнитов ротора.

В векторной системе, которая имеет широкий диапазон скоростей вращения и использует реактивный момент, несущая гармоника формируется током обмотки статора. Переменная составляющая магнитного потока индуцирует в объёме постоянных магнитов вихревые токи, которые неблагоприятно влияют на их состояние, разогревают с возможным размагничиванием.

Разделение массивных магнитов на более мелкие части эффективно минимизирует величину вихревых токов и выделение тепла в них. Для оценки степени эффективности в борьбе с такими паразитными эффектами с помощью деление магнитов, используется ANSYS Maxwell.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell

Высокоэффективный синхронный двигатель с инкорпорированными постоянными магнитами (IMP) имеет широкий рабочий диапазон. В нём используются спечённые редкоземельные постоянные магниты с высокими энергетическими характеристиками. Вращающий момент формируется из реактивного момента, вызванный разностью индуктивностей по d- и q-осям, и магнитного момента, обусловленного взаимодействием магнитных потоков обмотки статора и постоянных магнитов ротора.

В современных электрических машинах всё чаще можно встретить редкоземельные неодимовые магниты, которые, с одной стороны, имеют превосходные магнитные свойства, но, с другой стороны, как известно, легко размагничиваются при высоких температурах.

Традиционно, конструкция магнитной системы, системы охлаждения и конструкция электрической машины находятся в процессе самостоятельной разработки компонентов, отсюда и одна из технических проблем, которая заключается в том, что сложно согласовать проект, направленный на оптимизацию всей системы. Однако эта междисциплинарная задача может быть решена путем совместного анализа инструментами моделирования электромагнитного поля ANSYS Maxwell и сопряженного теплообмена ANSYS Fluent. Сопряжение двух решателей различных областей физики в прошлом было бы серьёзным препятствием, теперь разработчики могут сосредоточиться на решении задачи, так как рабочая платформа ANSYS Workbench упрощает все рутинные операции.

ANSYS Maxwell и ANSYS Fluent – продукты одной компании, которые имеют свои сильные стороны, включая систему поддержки и совместимость инструментов для сопряженного анализа, по сравнению с инструментами, объединяющими решения, созданные разными компаниями.

Тепловое размагничивание постоянных магнитов в двигателе IPM (электромагнетизм – сопряженный теплообмен)

Связанные продукты: ANSYS Maxwell> ANSYS Fluent

 

В ответ на растущие цены на редкоземельные магниты вентильно-индукторный двигатель (SRM) заслуживает внимания, как электрическая машина, которая не использует постоянные магниты. Вентильно-индукторный двигатель имеет простую конструкцию и невысокую стоимость изготовления; однако у этого типа двигателей ограничена сфера применения из-за очень больших пульсаций вращающего момента, вибрации и шума. Величина пульсаций связана с принципом формирования реактивного момента нелинейными сталями ротора и статора. Тем не менее, двигатель рассматривается в качестве кандидата, который может стать заменой в ответ на высокую цену редкоземельных магнитов, для этого необходимо обеспечить его оптимальную конструкцию с помощью анализа магнитного поля и совершенствовать технологии управления током.

ВИД приводится в движение за счет изменения времени переключения обмоток в зависимости от скорости вращения, соответственно целесообразно исследовать характеристики, включая крутящий момент, ток, потери, и эффективность в зависимости от скорости вращения.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell

Двигатель SPM представляет собой синхронный двигатель с постоянными магнитами, которые монтируются на поверхности ротора. Это оптимальный двигатель для управления, поскольку он имеет хорошую связь и линейность между крутящим моментом и током. Кроме того, он имеет оптимальную форму для небольшого двигателя с малой мощностью.

Магнитный анализ методом конечных элементов этого типа двигателя особенно актуален для исследования зубцовых пульсаций момента (cogging torque), оптимизации формы полюсов, а также, с учетом требований миниатюризации и высокой производительности в последние годы, необходимо точно проанализировать насыщение магнитной системы.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell

Двигатель с использованием постоянных магнитов и железного магнитопровода может быть спроектирован высокопроизводительным в достаточно небольших габаритах; однако присутствует существенный недостаток – зубцовые пульсации момента, которые присутствуют даже при отсутствии питания, что связано с потоком постоянных магнитов ротора.

Зубцовые пульсации момента влияют на качество вращающего момента двигателя, что отрицательно сказывается на механических вибрациях, шуме и системе управления, на качестве и надёжности устройства. Кроме того, на практике измерение зубцовых пульсаций затруднительно ввиду множества нелинейных компонентов в цепи измерения, поэтому полезно при проектировании использовать высокоточные инструменты анализа электромагнитного поля, способные к фиксации данного эффекта.

Анализ электромагнитного поля ANSYS - это инструмент оптимального анализа, который может автоматически создавать оптимальную, адаптивную сеточную модель, что позволяет использовать его в чувствительном анализе зубцовых пульсаций момента и т. д.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell

Асинхронные двигатели широко используются для различных задач в быту и промышленности. Двигатели этого типа приводятся в движение путём взаимодействия вращающегося магнитного поля обмотки статора и полем ротора, образованного индукционными токами обмотки ротора. Электрическая мощность передаётся на вал ротора бесконтактным, полевым методом. Двигатель этого типа имеет простую конструкцию, небольшие размеры, ремонтопригоден и недорогой в изготовлении.

В ответ на растущую цену редкоземельных магнитов, в последнее время, опять активизировались разработки асинхронных двигателей компактных размеров с высокими характеристиками выходной мощности и эффективности. Отчасти это вызвано потребностью в электрической машине, по характеристикам близкую к синхронным двигателям с постоянными магнитами, но без использования редкоземельных материалов. Точность оценки электромеханических характеристик, детальное представление о электромагнитных процессах в машине с использованием численных методов расчётных модулей ANSYS помогают в проектировании высокопроизводительных асинхронных двигателей.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell

В состав двигателя постоянного тока с щёточным узлом входят обмотка, постоянные магниты, и коммутатор. Двигатель имеет пропорциональную зависимость между вращающим моментом и током, поэтому легко управляется при регулировке постоянного напряжения. Простота управления позволяет использовать этот тип двигателя в различных областях промышленности, что делает его одним из наиболее производимых.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell

Линейный двигатель представляет собой электромеханическое устройство, которое обеспечивает электромагнитную силу, вызывая прямолинейное движение объекта, и может рассматриваться в виде развертки аналогичного с цилиндрическим вращением.

Линейный двигатель имеет длинную историю, аналогичную вращающимся машинам. В последние годы становится возможным прямой привод, при котором тяга в любом направлении передается ведомому объекту без контакта. Этот класс электрических машин характеризуется высокой скоростью и точностью позиционирования, хорошей тягой. Комбинация линейного двигателя и позиционирующего устройства улучшается за счет повышения точности позиционирования и свободы перемещения с помощью интеграции с технологией управления сервоприводами.
Ниже будет представлен пример анализа линейного синхронного двигателя без сердечника, что означает отсутствие электромагнитной стали в области намотки обмоток. Этот тип линейного двигателя, в принципе, не имеет зубцовых пульсаций, поэтому он используется в устройствах для позиционирования с высокой точностью.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell

Резольвером является один из датчиков угла поворота, часто используемых в электрических машинах и других схожих приложениях. Хотя это один из видов генераторов переменного тока, он содержит двухфазную обмотку, в которой катушки расположены взаимно перпендикулярно относительно магнитного потока, на выходе формируется эдс, амплитуда которого пропорциональна углу поворота или является функцией sinф и cosф. В подследствие угол поворота переводится в цифровое значение аналогово-цифровым преобразователем. Ресолвер имеет простую конфигурацию по сравнению с вращающимся энкодером, что делает его пригодным для использования в неблагоприятных условиях; однако он имеет недостатки, такие как сложная схема обработки сигналов и низкая точность по сравнению с энкодером.

Объединение анализа электромагнитного поля с симулятором системного уровня в ANSYS позволяет выполнить моделирование системы, включая не только электромагнитную конструкцию корпуса резольвера, но и кодер привода, сигнальные кабели, что позволяет проводить высокоточный совместный анализ для оптимизации вей системы.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell

Это важный технический элемент для оптимизации эффективности выработки электроэнергии при колебании скорости ветра и переменной скорости вращения больших ветровых турбин. Асинхронный генератор двойного питания (DFIG) обычно используется в ветрогенерирующих установках с использованием больших ветряных мельниц.

Объединение анализа электромагнитного поля с симулятором системного уровня в ANSYS позволяет выполнить моделирование системы, включая инвертер. Такой подход позволяет не только работать с электромагнитной конструкцией генератора, но и обеспечивает возможность высокоточного совместного анализа для оптимизации всей системы.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell> ANSYS RMxprt

В ответ на растущую цену редкоземельных магнитов синхронный реактивный двигатель (SynRM) привлекает внимание, как тип двигателя, который не использует постоянные магниты. SynRM является надежным и имеет простую структуру, не дорог в производстве. Однако из-за того, что принцип создания вращающего момента обусловлен только реактивным моментом намагничивающей силой обмотки и явнополюсностью ротора. Соответственно, увеличение плотности вращающего момента во многом зависит от нелинейной характеристики намагничивания и структуры ротора, нельзя сказать, что этот тип двигателя очень популярен. Тем не менее, SynRM рассматривается, как кандидат, который может рассматриваться в ответ на высокую цену редкоземельных магнитов. Электромагнитный анализ ANSYS позволяет оптимально спроектировать сложную структуру ротора и улучшить технику управления током.

SynRM работает в нелинейной области листа электротехнической стали, поэтому проявляет нелинейное поведение из-за магнитного насыщения не только по отношению к положению ротора, но и по индуктивности. Это также приводит к тому, что форма тока становится легко искажаемой. При проектировании с использованием аналитических методов невозможно получить точное предсказание характеристик двигателя. Анализ электромагнитного поля методом конечных элементов в этом случае очень полезен, поскольку он может определить переходный процесс по току в обмотках машины и учитывает нелинейные характеристики намагничивания материалов при детальной проработке формы ротора.

Связанные продукты: ANSYS Maxwell

Асинхронные двигатели широко используются для различных задач в быту и промышленности. Двигатели этого типа приводятся в движение путём взаимодействия вращающегося магнитного поля обмотки статора и полем ротора, образованного индукционными токами обмотки ротора. Электрическая мощность передаётся на вал ротора бесконтактным, полевым методом. Двигатель этого типа имеет простую конструкцию, небольшие размеры, ремонтопригоден и недорогой в изготовлении.
Однофазный асинхронный двигатель может легко управляться однофазных источников питания переменного тока, поэтому он широко используется в низкопроизводительных вентиляторах, потолочных вентиляторах и т.д.

Связанные продукты: ANSYS RMxprt> ANSYS Maxwell

Универсальный двигатель может работать от источников питания постоянного и переменного тока, имеет простую конструкцию и хорошую прочность, что может обеспечить вращение на высоких скоростях. Используется в бытовой технике и промышленных инструментах.

Связанные продукты: ANSYS RMxprt> ANSYS Maxwell

Большие явнополюсные синхронные генераторы обычно используются на электростанциях. Мощность в обмотке статора определяется вращающимся магнитным полем в статоре, которое создаётся током обмотки возбуждения, расположенном на вращающемся роторе.
В явнополюсном синхронном генераторе может быть получен любой коэффициент мощности путём регулировки тока в обмотке возбуждения в зависимости от нагрузки и коэффициента мощности подключенной нагрузки. Поэтому обычно исследуются характеристики V-кривой, показывающие зависимость между током якоря и током обмотки возбуждения.

Связанные продукты: ANSYS RMxprt> ANSYS Maxwell

Генераторы с когтеобразными полюсами обычно используют для выработки переменного тока в транспортных средствах. Эта электрическая машина имеет такое специфическое название, потому что каждый полюс ротора имеет форму перекрывающихся когтей. В последнее время генераторы этого типа все чаще используются в качестве двигателей, а магнитный анализ используется для анализа его конструктива и определения характеристик в режиме двигателя и генератора.

Связанные продукты: ANSYS RMxprt> ANSYS Maxwell

В двигателе с аксиальным магнитным потоком ротор и статор имеют форму диска и расположены друг над другом. Плоская геометрическая форма и высокий вращающий момент позволяют использовать его в различных задачах с ограничением под геометрические размеры. Магнитный поток проходит в осевом направлении, что связано с некоторыми сложностями расчёта, повысить точность проектирования можно с использованием трехмерного моделирования магнитного поля.

Связанные продукты: ANSYS RMxprt> ANSYS Maxwell

Долгое время проблема шума и вибраций, вызванных электромагнитными силами, в электрических устройствах, в том числе и электродвигателях, была серьезной задачей для инженеров-конструкторов.

Традиционно, конструкция магнитной системы и дизайн всей конструкции находятся в процессе самостоятельной разработки компонентов, отсюда и одна из технических проблем, которая заключается в том, что сложно согласовать проект, направленный на оптимизацию всей системы. Однако эта междисциплинарная задача может быть решена путем совместного анализа инструментами моделирования электромагнитного поля ANSYS Maxwell и модулями для прочностного анализа ANSYS Mechanical.

Подход к решению задач акустики и вибрации в электрических машинах заключается в том, что, во-первых, проводится нестационарное электромагнитное моделирование для вычисления сил и моментов, действующих на сегменты зубцов статора. Затем используется анализ Фурье для определения порядков гармоник электромагнитных сил, которые поэлементно интерполируются на сеточную модель в гармоническую механическую задачу. Для обеспечения удобного рабочего процесса используется среда интеграции ANSYS Workbench.

Кроме того, используя многофункциональное дополнение ANSYS ACT для ANSYS Mechanical, можно проанализировать шумы и поле звукового давления в окружающем пространстве при использовании структурного анализа.

ANSYS Maxwell и ANSYS Mechanical – продукты одной компании, которые имеют свои сильные стороны, включая систему поддержки и совместимость инструментов для сопряженного анализа, по сравнению с инструментами, объединяющими решения, созданные разными компаниями.

Анализ акустики и вибрации в синхронной электрической машине с постоянными магнитами

Связанные продукты: ANSYS Maxwell> ANSYS Mechanical