Ввиду постоянно растущих материальных затрат стало необходимым оптимизировать использование электрических машин путем максимизации крутящего момента в течение срока службы материала. Поскольку крутящий момент обычно ограничивается максимально допустимой температурой на обмотках, важно точно и как можно раньше предсказать температурный профиль машины в процессе проектирования.
У CD-Adapco есть решение для этого: программный пакет для электрических машин Speed предлагает магнитный 2D дизайн; Используются как аналитические уравнения, так и метод конечных элементов для электродвигателей, генераторов и других магнитных приводов. Инструмент также сочетает в себе модели электронных приводов с конструкцией магнитной машины. Star-CCM + использует результаты моделирования скорости, преобразует 2D-модель в 3D-модель и модулирует тепловые характеристики машины в самых разных условиях окружающей среды.
Тепловое моделирование
Для температурного профиля электрических машин необходимо учитывать несколько конкретных требований и граничных условий, таких как максимальный размер машины и требуемый крутящий момент. Используя Speed, аналитическое программное обеспечение для проектирования электрических машин на основе уравнений Максвелла, можно охарактеризовать практически все основные классы электрических машин и приводов в течение нескольких минут. Поскольку потери - медь, железо и механика (подшипники) - зависят от температуры, температуры в активных магнитных компонентах машины должны быть предсказаны. Соединяя Star-CCM + и Speed, можно учитывать как аспекты потока / тепла, так и электромагнитные аспекты в одной рабочей среде, что приводит к лучшему оптимизированному процессу проектирования.
Скорость обеспечивает потери меди и железа в форме распределения потерь. В дополнение к электромагнитным потерям, программное обеспечение также обеспечивает активные магнитные области ротора, статора и обмоток. Чтобы получить точные прогнозы относительно теплового охлаждения, необходимо учитывать геометрию корпусов, подшипников и т. Д. Эти дополнительные геометрии, которые еще не известны на данном этапе проектирования, создаются с использованием встроенного средства моделирования CAD в Star-CCM +.
Целью данной работы было создание параметризованной имитационной модели на основе выходной геометрии скорости, которая содержит наиболее важные недостающие геометрические элементы, такие как корпус, вентилятор, подшипник и т. Д. Из-за цилиндрической симметрии электрической машины необходимо моделировать только «секцию» машины. стать, что приводит к более быстрому, менее вычислительно интенсивному процессу. Задача параметризованной геометрии - использовать столько параметров, сколько необходимо, и как можно меньше, не пренебрегая важными функциями. Размеры корпуса и вращающихся элементов для охлаждения необходимо выбирать тщательно, так как они оказывают большое влияние на охлаждение двигателя. После завершения всех геометрий настройка для теплового моделирования завершена.
Файл потерь скорости может быть импортирован в Star-CCM +, где потери в 2D-плоскости отображаются на соответствующий 3D-объем. Для отображения доступно несколько режимов интерполяции. Исследование показало, что различные моды не оказывают существенного влияния на решение и, следовательно, все приводят к одному и тому же результату. Различные параметры должны быть указаны для самого моделирования. Наиболее важными, которые также оказывают наибольшее влияние на решение, являются такие параметры материала, как теплопроводность и контактное сопротивление между компонентами. Чтобы результаты были достоверными, эти параметры должны выбираться очень тщательно.
Соединение двух программ
Следующее применимо к принципу связи двух программ Speed и Star-CMM +: Решение основано на итеративном процессе. На первом этапе рассматривается электромагнитный дизайн. Температуры оцениваются и соответствующие потери рассчитываются по скорости. Затем Star-CCM + рассчитывает температуры, возникающие из-за потерь. Электромагнитный дизайн затем снова рассматривается с использованием температур, рассчитанных в Star-CCM +. Этот итерационный процесс останавливается, когда разница между одной итерацией и следующей находится в заданном диапазоне.
Другой целью является сокращение часов работы, необходимых для моделирования. Star-CCM + очень хорошо подходит для автоматизации моделирования с помощью записанных макросов JAVA. Цель состоит в том, чтобы записать полную настройку симуляции и адаптировать полученный макрос для обработки других геометрий и данных потерь. Поэтому важно определить начальное состояние, которое подходит для всех симуляций.
If-циклы, for-циклы, коллекции и другие программные структуры делают макрос независимым от геометрических или других изменений. Чтобы настройка оставалась гибкой, вы можете сгенерировать параметр для каждого значения, которое вы хотите настроить в будущих симуляциях. Одним из возможных решений является создание списка параметров в виде CSV-файла Excel, к которому может получить доступ симуляция. С помощью этого метода все параметры могут быть установлены и отсортированы извне.
Тепловые результаты процесса моделирования становятся доступными примерно через полтора часа. Время вычислений в Star-CCM + зависит от технических характеристик машины и размера сети.
Сравнение измеренных значений и моделирование
Изучение конкретного случая чувствительности параметров и сравнение результатов моделирования и испытаний позволяют сделать наблюдения, показанные ниже:
- 1. Правильный расчет потерь по скорости является предпосылкой для надежного теплового решения.
- 2. Геометрия корпуса и охлаждающих элементов оказывают большое влияние на температурный профиль из-за теплового потока в окружающую среду.
- 3. Теплопроводность материалов должна быть точно известна, поскольку они влияют на тепловой поток, проходящий через компоненты в окружающую среду.
- 4. Контактные сопротивления между различными компонентами представляют собой фактор неопределенности и должны быть определены очень точно, поскольку они влияют на тепловой путь через компоненты в окружающую среду.
При соблюдении этих указаний можно получить смоделированный профиль температуры, который соответствует данным испытаний с точностью +/- 3 Кельвина. Учитывая, что моделирование выполняется на очень ранней стадии процесса проектирования, решения очень полезны для разработки электрических машин.
Outlook: контролируемый обмен данными
Другим шагом может стать разработка программы более высокого уровня, которая контролирует обмен данными между Speed и Star-CCM +. Это может еще больше сократить количество отработанных часов. Кроме того, может быть разработана модульная система, которая обеспечивает геометрию охлаждения в зависимости от скорости вращения. При использовании этого метода не нужно создавать другие параметризованные модели, а геометрия корпуса и других компонентов в конечном итоге будет более гибкой. (Mz)
* Бенджамин Оберле - студент-бакалавр, стажер в EBM-Papst Mulfingen GmbH & Co. KG, * Дебора Эппель - инженер по техническому маркетингу на CD-Adapco