ANSYS Motor-CAD

ANSYS Motor-CAD - это специализированный инструмент для проектирования электрических машин и быстрого междисциплинарного анализа во всем рабочем диапазоне крутящего момента и скорости. Motor-CAD позволяет инженерам-проектировщикам оценивать топологии и концепции двигателей во всем рабочем диапазоне, разрабатывать конструкции, оптимизированные по производительности, эффективности и размерам.

ANSYS Motor-Cad представлен четырьмя интегрированными модулями Motor-CAD - EMag, Therm, Lab, Mech, которые позволяют проводить итеративные междисциплинарные расчёты, благодаря чему пользователи могут быстрее перейти от концепции к окончательному проекту. Шаблонно-ориентированная настройка расчётных модулей в Motor-CAD упрощает и автоматизирует процесс создания моделей, а встроенные электромагнитный, тепловой и механический решатели определяют мультифизическое состояние конструкции двигателя. ANSYS Motor-CAD позволяет инженерам производить оптимизированные конструкции электродвигателей и генераторов, помогает найти решения, которые соответствуют размерам, весу, энергоэффективности, стоимости и другим заданным спецификациям.

Для глубокого анализа и проверки конструкции двигателя модель Motor-CAD может быть передана в ANSYS Maxwell, ANSYS Icepak и ANSYS Fluent. Сочетание передовых решателей с Motor-CAD обеспечивает высокую точность, возможность 2D / 3D анализа, позволяя пользователям анализировать краевые трехмерные эффекты, размагничивание постоянных магнитов, потери в сердечнике, гистерезис и другие электромагнитные явления, проектировать целые системы охлаждения двигателя.

Электромагнетизм

ANSYS Motor-CAD Emag сочетает в себе двухмерный решатель на основе конечных элементов и аналитические методы для быстрого расчета электромагнитных характеристик различных электрических машин. EMag используется для расчета вращающего момента, мощности, эффективности, пульсаций момента, токов, потокосцеплений, индуктивностей и сил. Модуль также рассчитывает потери в меди, потери в стали, добавочные потери в обмотках, потери на вихревые токи в массивных проводниках, таких как магниты и вал.

Шаблонно-ориентированный редактор Motor-CAD позволяет легко настраивать геометрию электрических машин и быстро выполнять сложные вычисления. Motor-CAD позволяет пользователям экспериментировать с различными вариантами исполнения дизайна, такими как пользовательские схемы намотки или импортировать свою собственную геометрическую модель из DXF. Некоторые ключевые особенности EMag:

  • Большой ассортимент параметризованных шаблонов и геометрических моделей
  • Автоматическая настройка расчета для различных тестов производительности
  • Автоматическая настройка 2D расчётных конечноэлементных моделей для нестационарного и магнитостатического анализа с сеткой и граничными условиями
  • Возможности расчета вихревых токов в магнитах, стержнях ротора индукционных машин, расчет потерь в обмотке переменного тока
  • Параметризованная и DXF геометрические модели, настраиваемые формы тока и ступенчатый скос полюса ротора
  • Комбинированные методы: двухмерный численный метод конечных элементов и аналитический, рассчитывающий конструкции за считанные минуты, позволяют учитывать сложные электромагнитные эффекты на ранних этапах проектирования.
  • Совместный расчёт с Motor-CAD Therm позволяет итеративно решать тепловые задачи
  • Определение вращающего момента, мощности, потерь, напряжений, токов, индуктивностей, потокосцеплений и сил
  • Связь с ANSYS Maxwell для детального FEA анализа .

Тепловые задачи

ANSYS Motor-CAD Therm рассчитывает тепловые характеристики электрических машин в считанные секунды, включая температуру компонентов двигателя в установившемся и переходном режимах работы. Быстрый анализ температурного состояния в Motor-CAD чрезвычайно полезен при моделировании сложных рабочих циклов, таких как циклы привода тягового двигателя, циклы нагрузки лифтовых лебедок.

Motor-CAD использует аналитический подход к моделированию теплового состояния с сосредоточенными параметрами, которая автоматически создаётся на основе данных пользователя, таких как геометрия, материалы, тип охлаждения и т. д. Введенные данные позволяют автоматически рассчитать все тепловые сопротивления и емкости. Метод эквивалентных цепей с сосредоточенными параметрами ускоряет тепловой анализ и позволяет проводить тесты “что будет если” в режиме реального времени. Хорошее понимание основных путей теплообмена позволяет инженерам оптимизировать режим охлаждения электрических машин.

Эквивалентная цепь тепловых сопротивлений создаётся для трехмерного пространства, что позволяет проводить трехмерный анализ охлаждения, включая такие важные области, как лобовые части обмоток, учитывается влияние вращения на воздушный поток и теплообмен в осевом направлении машины.

  • Поддерживаются варианты охлаждения:
  • Естественная конвекция (TENV)
  • Вынужденная конвекция (TEFC)
  • Погружной
  • Залитый
  • Мокрый ротор и мокрый статор
  • Излучение
  • Теплопроводность

Motor-CAD автоматически выбирает и использует наиболее подходящий тип решения для поверхностей, выбранного типа охлаждения. Учитываются вынужденная и естественная конвекция, жидкостное охлаждение, теплопроводность и излучение. Тепловой решатель использует обширную библиотеку проверенных корреляций ламинарной и турбулентной конвекции, чтобы обеспечить точное решение для всех внутренних и внешних поверхностей. Модель воздушного зазора щели включает ламинарную, вихревую и турбулентную конвекцию. Эти данные значительно улучшают предсказания тепловых характеристик, эффективности и производительности двигателя.

Одна из серьезных проблем, связанная с терморегулированием электрических машин, заключается в количестве производственных неопределенностей и воздействий, которые часто существенно влияют на производительность машины. Некоторыми примерами являются качество пропитки обмотки или зазора между пакетом статора и корпусом. Motor-CAD использует опытные данные, которые дают хорошую корреляцию с большинством машин, протестированных в лабораториях.

Проведение экспериментов

Модуль ANSYS Motor-CAD Lab анализирует производительность машины во всем ее рабочем диапазоне. Пользователи могут быстро создавать карты эффективности и потерь, строить графики крутящего момента / скорости, изучать температурный режим работы и анализировать рабочие характеристики в процессе рабочих циклов.

ANSYS Motor-CAD Lab изначально анализирует модель с использованием электромагнитного двумерного решателя конечных элементов, где оценивает производительность машины во всем диапазоне величин тока, углов сдвига фаз и частот для создания эквивалентной модели машины. Эквивалентная модель используется со стратегией управления для расчета производительности в рабочем диапазоне. На завершающем этапе быстро создаются карты эффективности, кривые вращающего момента/скорости и карты потерь.

Пользователи могут ввести рабочий цикл времени работы, момента/скорости или сгенерировать его, используя встроенную модель транспортного средства. Решатель рассчитывает токи, напряжения и потери в течение этого цикла и выводит данные о потерях в зависимости от временного профиля. Это решение может быть получена с использованием теплового модуля для получения температуры двигателя в течение цикла работы.

Пользователи также могут рассчитывать продолжительный режим работы с определенным моментом/скоростью с учетом ограничения по температуре. Указывается максимальная температура для обмотки, магнитов, с учетом этих данных тепловой решатель, модель управления, модель потерь совместно определяют продолжительный режим работы, момент/скорость машины, в диапазоне скоростей.

Механика

ANSYS Motor-CAD Mech обеспечивает быструю оценку механических напряжений, напряжений и смещений, вызванных в роторе центробежными силами. Обеспечение целостности конструкции является важной задачей для высокоскоростных вращающихся двигателях. Механический расчет выполняется с использованием 2D конечно-элементного решателя с адаптивной сеткой. Принимая во внимание механические ограничения во время процесса проектирования, разработчики двигателей могут подобрать размер ротора для оптимальной электромагнитной производительности, обеспечивая при этом возможность технологической реализации и безопасную работу во всем диапазоне скоростей машины.

Детальный дизайн, анализ и валидация

Для детального проектирования, глубокого анализа и проверки конструкции двигателя модель Motor-CAD может быть передана в ANSYS Maxwell, ANSYS Icepak и ANSYS Fluent. Сочетание этих решателей с Motor-CAD обеспечивает высокую точность, возможность 2D/3D анализа, позволяя анализировать краевые трехмерные эффекты, определять размагничивание магнитов, потери в сердечнике, учитывать гистерезис, решать задачи по определению акустики и вибрации (NVH), по полной разработки системы охлаждения двигателя. Добавление Motor-CAD к процессу проектирования электрических машин в ANSYS создает полный сквозной рабочий процесс.