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:
- Подготовить электромагнитную модель SMPM.
-
Воспроизвести результаты натурного эксперимента на электромагнитной модели. Определить все виды электромагнитных потерь.
Метод задания возбуждения PWL. - 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.
- Подготовить численную модель для анализа теплового состояния двигателя.
- 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
-
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. - 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.
- Модель в ANSYS Maxwell была дополнена следующими элементами конструкции: станина, щитки, подшипники, элементы ротора.
- 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.
- 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.
- Подготовка геометрической и сеточной модели. Эквивалентные геометрические и пространственные размеры необходимы для поэлементной передачи потерь из ANSYS Maxwell в ANSYS IcePak.
- 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.
- Электромагнитные потери передавались поэлементно с сеточной модели ANSYS Maxwell на сеточную модель ANSYS IcePak.
- 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.