Автоматическое создание карт эффективности электрических машин в ANSYS Maxwell

ANSYS Maxwell 19.0 и более старшие версии содержат предустановленные инструменты для автоматического создания карт эффективности, которые используются для прогнозирования производительности электрических машин при различных сценариях управления.

Использование моделирование электрических машин значительно экономит время разработки изделий, сокращает количество прототипов, способствует инновациям. ANSYS Maxwell позволяет создавать и тестировать произвольные прототипы электрических машин, итеративно приближаться к оптимальной конструкции. Шаблонно-ориентированное моделирование позволяет автоматически создавать виртуальные модели, основываясь на типичных параметрах машины, таких как количество фаз, полюсов и слотов, свойствах материалов, диаметре двигателя, шаге обмоток и т. д. Таким образом, даже когда модели САПР недоступны, инженеры могут использовать эти шаблоны для автоматического создания геометрической модели машин. ANSYS Maxwell предлагает понять возможности улучшения и оптимизации модели электрической машины, анализируя их электромагнитные характеристики и тепловое состояние, ограничивая их шумовые показатели и вибрацию, рассматривая взаимодействие с соответствующими компонентами силовой электроники. Использование ANSYS Maxwell для проектирования и моделирования электрических машин значительно сокращает количество прототипов оборудования, экономит затраты, повышает надежность и сокращает время выхода продукции на рынок.

Конструкция электрических машин должна быть разработана для широкого диапазона рабочих условий: изменение диапазона скорости, вращающего момента, тока, мощности и т.д.  Например, для электрических машин электромобиля характерен высокий постоянный вращающий момент при ускорении и высокая мощность на высоких крейсерских скоростях, что обеспечивает высокую эффективность работы тяговой установки. При разработке электрических машин с подобными функциональными требованиями инженеры сталкиваются с проблемой оптимизации конструкции и управления для различных условий эксплуатации. Проблема заключается в том, что оптимальная конструкция машины для низких скоростей с высоким крутящим моментом может оказаться непригодной для рабочих условий с высокой скоростью и низким вращающим моментом. Задача усложняется тем, что для каждой комбинации скорости и момента необходимо определить наилучшую комбинацию параметров в системе управления, а также ограничить потребление энергии. Решение такой задачи может быть найдено путём точного моделирования в ANSYS Maxwell. Вы можете спроектировать двигатель, который соответствует конкретным условиям эксплуатации, не упуская из виду ожидаемую производительность в нескольких других сценариях управления. ANSYS Maxwell может упростить процесс проектирования благодаря инструментам автоматического построения карт эффективности, которые дают инженерам возможность проектировать, тестировать, оценивать и оптимизировать поведение двигателя в различных рабочих сценариях.

 

Карты эффективности

Карта эффективности - это графическое представление характеристик двигателя во всем рабочем диапазоне. Как правило, график изображается в виде контурной карты. Ось X представляет собой скорость вращения ротора машины. Скорость вращения - это исходные данные для моделирования / экспериментов. Ось Y представляет собой вращающий момент машины. Это неизвестная величина, ее значения находятся в процессе моделирования. Построенный контурный график - это прежде всего эффективность двигателя: отношение мощности, передаваемой двигателем к электрической входной мощности, подаваемой на двигатель.

Рисунок 1. Карта эффективности электрической машины.

Карты эффективности помогают понять, как управлять двигателем с максимально возможной эффективностью. В дополнение к эффективности, возможно строить и анализировать другие полезные величины, такие как ток, напряжение, электромагнитные потери, индуктивности и т. д.

Карты эффективности получают на основании множества расчётов. Каждая точка на карте эффективности является результатом запуска оптимизации по нескольким допустимым условиям работы двигателя. Все фактические точки, которые используются при создании карт эффективности, определяются при решении большой параметрической таблицы со всеми жизнеспособными и реализуемыми на практике условиями работы машины.

Чтобы найти лучший вариант управления двигателем на заданной скорости и моменте, среди всех возможных сценариев кандидатов, мы должны оценить все сценарии посредством моделирования. Количество сценариев может варьироваться от 200 до 2000. Чтобы оценить каждый сценарий, необходимо провести нестационарное моделирование FEA, которое может быть дорогостоящим и трудоемким для такого большого количества расчётов. К счастью, ANSYS Maxwell предлагает мощную встроенную технологию проектирования экспериментов (DoE) для упрощения работы с задачами масштабных вычислений и значительно сокращает пространство исследования. DoE ограничивает количество кандидатов, которые необходимо учитывать. Вместо решения всех возможных случаев с помощью параметрической таблицы с комбинациями всех входных данных, DoE позволяет инженерам создавать параметрическую таблицу и генерировать требуемые данные методом построения поверхности отклика. Все необходимые операции выполняются в ANSYS Maxwell в полностью автоматическом режиме. После создания карт эффективности пользователи получают хорошее представление о поведении машины в широком диапазоне практических сценариев. Далее описывается автоматизированный процесс.

Автоматизация построения карт эффективности

В ANSYS Maxwell построение карт выполняется в несколько шагов

Шаг 1: Входные данные машины

Параметры электрических машин для расчета карт эффективности:

• Подготовленная для нестационарного расчёта 2D или 3D модель двигателя.
• Описание основных характеристик машины: число полюсов, тип возбуждения, тип соединения обмоток и т.д.
• Верхние значения диапазона управления, таких как максимальная скорость вращения, максимальные напряжение и ток, а также величины интервалов между значениями (большее количество интервалов приведет к более точному представлению).
• Требуемый метод оптимизации (MTPA - максимальный крутящий момент на ампер или минимизация потери вращающего момента).

Рисунок 2. Интерфейс построения карт эффективности

Шаг 2: Сборка и решение всех возможных кандидатов

Создается параметрическая таблица на основании исходных данных о количестве интервалов и максимальных значениях условий эксплуатации. Каждая строка параметрической таблицы представляет собой допустимую на практике рабочую точку. После моделирования всех кандидатов оцениваются крутящий момент и эффективность.

Размер параметрической таблицы зависит от типа электрической машины и желаемого уровня точности. Например, машина с постоянными магнитами может быть охарактеризована таблицей в несколько сотен вариантов, тогда как индукционные машины могут потребовать несколько сотен рядов и более.

Для точной оценки каждой строки выполняется анализ во временной области. Решение параметрической таблицы посредством метода декомпозиции домена TDM или распределенного решения DSO (использование нескольких экземпляров решателя на отдельных ядрах) значительно сокращает время моделирования за счет ускорения всего процесса решения.

В зависимости от общего времени решения можно вычислить несколько карт эффективности за один день.

Рассмотрим несколько случаев, чтобы иметь представление о фактическом времени моделирования.

 

Случай 1: 2D синхронная машина с инкорпорированными постоянными магнитами (IPM)

Рисунок 3. Синхронная машина IPM

Для получения карты эффективности в ANSYS Maxwell было выполнено около 250 расчётов. Поскольку это синхронная машина, то для необходимо проанализировать во временной области только два периода возбуждения. Ниже указано время, необходимое для решения параметрической таблицы.

Количество ядер	Время вычисления	Ускорение
1	2 часа 19 минут
10	17 минут	8.1

 

 

 

 

 

Используя 10 вычислительных ядер, можно создать до четырех различных карт эффективности за час.

 

Случай 2: 2D асинхронная машина

Рисунок 4. Асинхронный двигатель

При моделировании индукционных машин необходима предельная точность. Входные параметры включают в себя количество значений тока, скольжения и скорости. В результате размер параметрической таблицы равен 2 250 расчётных точек. Из-за специфического электромагнитного поведения индукционной машины каждая симуляция может быть довольно длинной, поскольку достижение установившегося состояния может занять от нескольких до 25+ электрических периодов.

Количество ядер	Время вычисления	Ускорение
1	32 дня
10	3 дня 20 часов	8.4
120	11 часов 55 минут	65

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом при работе с асинхронными двигателями необходимо заранее побеспокоиться об использовании многоядерных вычислителях для моделирования.

 

Случай 3: 3D синхронная машина с инкорпорированными постоянными магнитами (IPM)

В некоторых случаях необходим трехмерный анализ. IPM машины зачастую изготавливаются со скошенными магнитами, для которых 2D-моделирование является недостаточно точным. Также трехмерная модель полезна, когда необходимо учесть влияние индуктивности лобовых частей обмотки.

Рисунок 5. 3D модель синхронной машины IPM

Количество ядер	Время вычисления	Ускорение
10	3 дня 22 часа
120	10 часов 51 минута	8.7

 

 

 

 

 

Используя 120 вычислительных ядер, можно создать одну карту эффективности для трехмерной задачи за полчаса.

 

Шаг 3: Обработка результатов кандидатов

По завершению расчёта параметрической таблицы автоматически извлекаются все величины, необходимые для определения наилучших кандидатов:

  • Усредненный вращающий момент

  • Значения тока / напряжения

  • Потери в стали и в массивных проводниках за последний период

  • Индуктивность (значения по осям Ld, Lq)

Для запуска и возможного перезапуска процесса оптимизации необходимы только перечисленные данные, поэтому полевые величины сохранять не обязательно.

 

Шаг 4: Нахождение параметров для оптимального управления

Основываясь на исходных пользовательских данных, процесс оптимизации определяет наилучших кандидатов для всех условий работы машины. Процесс начинается с фильтрации решений выше заданного максимального тока / максимального напряжения. Затем создается модель пониженного порядка двигателя на основе входных данных для трехмерной поверхности отклика. Поверхность отклика строится на выходе. Наконец, анализ DoE выполняется с использованием поверхности отклика для получения оптимальных рабочих точек.

 

Шаг 5: Карты эффективности и другие отчёты

Результаты пост-обрабатываются и визуализируются посредством стандартного функционала ANSYS Maxwell. Например, контурные графики заполняются автоматически на основе результатов оптимизации, и создается серия карт эффективности.

Рисунок 6. Карта эффективности

Рисунок 7. Карта тока

Рисунок 8. Карта общих потерь

 

Заключение

ANSYS Maxwell - идеальный инструмент для автоматического, масштабируемого моделирования работы двигателей и оценки их производительности путем анализа конструкции электрических машин во многих практических сценариях работы. Передовой уровень автоматизации в ANSYS Maxwell позволяет оптимизировать дизайн машины с использованием карт эффективности в качестве опорных результатов. Инженеры могут изменять несколько параметров дизайна (геометрические размеры, свойства материалов и т.д.) выполнять эксперименты «что-если», автоматически генерировать карты эффективности, а затем использовать полученные карты эффективности для принятия обоснованных проектных решений путем оптимизации. ANSYS Maxwell - идеальный инструмент для проектирования, моделирования электрических машин и автоматического создания карт эффективности, которые обеспечивают глубокое понимание производительности машины в различных практических сценариях. Моделирование сокращает цикл проектирования, экономит затраты и улучшает общую безопасность, надежность и производительность двигателя в различных условиях эксплуатации.

Авторы

Vincent Delafosse, Manohar Raju, Dr. Marius Rosu and Mark Ravenstahl.