搜索基于多物理場的穩健電機設計
2016-12-07 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
電磁、機械與熱仿真加上設計優化能夠幫助提高穩健電機的能源效率,降低噪聲和延長軸承使用壽命。
根據國際能源署的一項分析,電機是耗電最多的單個設備,其占工業能耗的三分之二左右,占全球能耗的45% 左右。《世界能源展望2012》指出發達國家計劃在未來25 年每年將能源效率提高1.8%。此項任務必須主要依靠電機設計的改進。開發此類設備的企業必須確保電機具有低運行噪聲和較長的使用壽命。工程師在過去的兩個世紀一直努力平衡電機設計的改進與優化需求,而目前需要全新的方法與工具以取得新進展。
WEG 是美洲最大的工業電機制造商,同時也是全球最大的工業電機制造商之一,其設備年產量超過1000 萬套。WEG工程師采用ANSYS 的電機綜合設計解決方案實現電磁、機械與熱仿真。設計優化已經幫助工程團隊在最新W50 系列電機中實現最佳能源效率、低運行噪聲和較長的軸承使用壽命。
ANSYS 的豐富功能有助于在無需單獨評估各個設計方案的情況下設計和優化電機。
響應面圖能夠顯示隨多個設計變量變化的風扇氣流效率。
產品復雜性:日益艱巨的挑戰
功率范圍介于125~1750 馬力之間的大型電機一般會采用兩臺風扇:一臺用于電機內部冷卻,另一臺用于外部冷卻。這些風扇會消耗大量功率,而WEG 工程師認為可行的能源效率提高方法就是改善風扇的效率。他們把注意力集中到內部風扇的上面,尤其是降低電機的氣流損耗。風扇產生的氣流會流經機架的開口。擴大開口能夠降低損耗,但該方法也會降低電機的電磁性能。
WEG 的工程師采用ANSYS CFD軟件建立電機內部的氣流模型。他們將機架上的通風口等關鍵參數定義為參數化尺寸變量。由于許多此類設計參數都會影響到電機的電磁性能,因此工程師建立了與CFD 模型具有相同參數變量的ANSYS Maxwell 電機電磁模型。他們創建了各個參數的變化數值表。
WEG 采用ANSYS DesignXplorer創建試驗設計(DOE),其把設計空間進行細分,以便通過少量仿真試驗實現有效利用以及在無人工干預情況下執行多物理場仿真。ANSYS Workbench環境中的綜合仿真工具以及ANSYS DesignXplorer 的設計優化功能使WEG能夠將仿真次數從2005 年的每月4 次提高到目前的每月800 次。此外,高性能計算(HPC)也為此方面的改進提供了幫助。WEG 采用面向CFD 的HPCPack,而Maxwell 在8 個工作站的64個分布式內核運行。
各個設計點的輸出結果存儲到一個表格中,同時通過能完全映射設計空間的響應面圖顯示。響應面可用圖形方式顯示變量對風扇損耗的影響。
由于計算資源的限制,此情況下的仿真并未耦合;不過,WEG 將來會采用耦合多物理場仿真、在考慮所有相關物理場情況下更準確地確定參數變量的最佳值。WEG 的工程師通過手動對比響應面圖、圖形和表格進行CFD 與電磁分析,以確定能夠帶來最佳性能的參數變量組合。為了找出最佳組合,工程師隨后重新執行電磁與CFD 仿真,同時選擇能提供最佳性能的結果:顯著降低風扇損耗,最終提高能源效率,同時不會降低電磁性能。
ANSYS CFX 仿真前后對比證明改善氣流后與前一代設計相比能夠降低W50 型電機的風扇損耗。
降低噪聲
此外,WEG 的工程師還希望降低最新W50 型電機設計的噪聲。電機噪聲主要來自兩個獨立來源:空氣動力噪聲與電磁噪聲。空氣動力噪聲由風扇轉子產生并通過空氣傳播;WEG 的工程師采用ANSYS CFD 優化風扇轉子的幾何結構,以最大限度地降低空氣動力噪聲。電磁噪聲來源于定子與轉子產生的磁場相互作用。在合力頻率激勵機械結構的固有頻率這樣的極端情況下,此類噪聲會大幅提高。
WEG 工程師采用 ANSYS CFD 優化內部風扇系統。他們設計出能降低電機長度的新型內部風扇系統,其可以提高動態性能。但是,最初設計并不可行,因此工程師采用ANSYS DesignXplorer優化了內部風扇的幾何結構,同時開發出符合要求的全新解決方案。新的內部風扇能減少振動,提高電機的功率密度和增加最高轉速。
為了在原型設計階段前預測和消除電機的電磁噪聲,WEG 工程師采用電磁仿真技術計算電磁力與損耗。這些量值可用作預測機械振動的結構與熱仿真的輸入數據。WEG 的工程師采用ANSYS應用定制工具包實施拓撲優化方法,以提高機架的固有頻率。他們然后設置參數變量,并采用ANSYS DesignXplorer運行設計點表和優化設計,以確保產生最低水平的噪聲。
ANSYS Maxwell 仿真可幫助優化風扇損耗與電磁性能的權衡。
帶兩個設計變量(一個位于X 軸,另一個位于多曲線圖)的風扇效率圖
延長軸承的使用壽命
軸承通常是電機使用過程中最先出現故障的組件,而軸承的使用壽命與工作溫度息息相關。當軸承的運行溫度越低,其使用壽命越長,同時潤滑周期(加潤滑油的頻率)也就越長;因此電機需要更少維護。該團隊進行了軸承周邊氣流的CFD 分析,同時更改了相關區域部分組件的形狀與尺寸,以確保穩定的氣流和降低工作溫度。
ANSYS Mechanical仿真預測結構的振動,以降低噪聲。
軸承四周氣流的CFD仿真可用于降低軸承的工作溫度。
根據上述以及其它多物理場仿真,WEG的工程師開發出W50型電機的詳細設計。公司然后創建了原型。物理測試表明設計與仿真預測的完全相符。因此,在原型設計階段只需要少量輕微修改。而一般情況下會需要更多大幅的設計修改。一次性完成正確設計可節約大量費用。
全新W50 型電機與現有的同類產品相比性能有著顯著提高。雖然能源效率隨著相關應用而變化,但是其普遍顯著優于目前相同應用中的最佳電機。新型電機噪聲電平極低,在3600rpm(60Hz)時僅82dB(A),而3000rpm(50Hz)時僅78dB(A)。軸承的使用壽命提高到10萬小時(L10h),而之前僅有4 萬小時。至少90% 的電機能夠達到L10h 的使用壽命。ANSYS 多物理場工具幫助WEG實現了業界最佳的電機性能,同時顯著縮短研制周期和降低產品開發成本。
最終虛擬電機原型只需輕微修改,從而能夠加快產品的上市進程。采用低電壓端子箱的虛擬原型 (上)和采用高電壓端子箱的成品(下)。
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