Обзор ANSYS Motor-CAD. Специализированное средство для разработки электрических машин

ANSYS Motor-CAD - это специализированный инструмент для проектирования электрических машин и быстрого междисциплинарного анализа во всем рабочем диапазоне крутящего момента и скорости.

Motor-Cad представлен четырьмя интегрированными в один интерфейс 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.

 

Motor-CAD: междисциплинарный инструмент разработки электрических машин

EMag. Определение электромагнитных характеристик

Использует комбинацию численного метода конечных элементов в плоскопараллельной постановке и аналитических алгоритмов для быстрого расчета электромагнитных характеристик магнитных систем. Легкая работа по оптимизации дизайна обеспечивается большим количеством параметризованных шаблонов и геометрических моделей.

Therm. Прогнозирование теплового состояния и детальная разработка систем охлаждения

Это инструмент соответствующий промышленному стандарту для теплового анализа электрических машин, который успешно используется более 20 лет. Быстрый тепловой расчёт компонентов электрических машин в стационарном и нестационарном режимах работы.

Lab. Расчёт эффективности и производительности для рабочего цикла

Обеспечивает быстрый и точный анализ любой конструкции электрической машины во всем рабочем диапазоне. Построение карт эффективности и анализ рабочего цикла в течение нескольких минут.

Mech. Конструкционный анализ

Конструкционный расчёт с использованием 2D конечно-элементного решателя с адаптивной сеткой для определения напряжений и перемещений в роторе за рабочий цикл.

 

Motor-CAD EMag

Комбинированное 2D FEA и аналитическое решение для быстрого определения производительности магнитных систем.

EMag используется для расчета вращающего момента, мощности, эффективности, пульсаций момента, токов, потокосцеплений, индуктивностей и сил. Оптимизация исходных данных дизайна с помощью большого количества параметризованных шаблонов и геометрических моделей.

Модуль Motor-CAD EMag

Ключевые особенности:

• 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

 

Процесс решения задачи в EMag

Шаг 1

Ввод исходных данных

• Данные геометрической модели вводятся с использованием параметризованных шаблонов EMag, параметрами могут быть такие значения, как количество слотов и полюсов, размеры паза и т.д.
• Редактирование геометрической модели в плоскопараллельном и осевом сечении, создание трехмерной модели, экспорт в специализированные CAD программы.

Настройка проекта в ANSYS Motor-CAD

 

Определение обмоточных данных

• Формирование обмоток с использованием редактора обмоток EMag. Используется пользовательский шаблон намотки или автоматическое создание шаблона на основе указанного количества фаз, витков, шага обмотки, количества слоев.
• Просмотр поперечного сечения проводников в слотах.
• Задание обмоточного провода по коэффициенту заполнения слота или по размерам проводов. Возможность указания прямоугольного проводника.

Задание свойств материалов

• EMag содержит обширную базу материалов, а также поддерживает ввод пользовательских данных, таких как кривые B-H.

 

Шаг 2

Решение задачи

• Настроив модель для расчёта, пользователь определяет один из тестов производительности, таких как back-EMF, зубцовые пульсации и момент нагрузки для машин BPM, или тест для одной точки нагрузки, стандартные тесты (заблокированный ротор, синхронная скорость) для асинхронных машин.
• Сеточная модель, симметрия, граничные условия создаются автоматически. Пользователю не нужны глубокие знания методов численного моделирования, чтобы получить высокоточные результаты.
• Поддерживается сопряжение с тепловым модулем Motor-CAD Therm для итеративного решения магнитной и тепловой задачи.
• Экспорт полностью настроенного проекта в ANSYS Maxwell Transient для детализированного моделирования методом конечных элементов.

 

Шаг 3

Формирование отчётов

• На вкладке результатов EMag отображаются данные, рассчитанные с использованием решения FEA, включая напряжения, индуктивности, процент пульсации вращающего момента, константы двигателя, ток короткого замыкания и коэффициент мощности.
• Также анализируются компоненты потерь, включая AC/DC потери в меди, потери в магнитах и стали.

Результаты расчёта в модуле EMag

 

Motor-CAD Therm

Это инструмент соответствующий промышленному стандарту для теплового анализа электрических машин.

Motor-CAD Therm позволяет рассчитывать температуру компонентов электрических машин в установившемся и переходном режимах работы для точного моделирования теплового поведения за несколько секунд расчётного времени. Детальная информация о теплообмене в машинах позволяет инженерам оптимизировать режим охлаждения электрических машин, значительно повысить выходную мощность и уверенно принимать конструкторские решения.

Ключевые особенности:

• Расчет температуры компонентов двигателя в установившемся и переходном режимах работы.
• Автоматически создает эквивалентную тепловую схему.
• Включает радиальный и осевой теплообмен для трехмерной цепи.
• Обеспечивает подробную визуализацию и расчет поперечного сечения паза.
• Учитывает все виды теплообмена, использует FEA, CFD, эмпирические корреляциями.
• Точное моделирование теплообмена за несколько секунд.

 

Процесс решения задачи в Therm

Шаг 1

Выбор системы охлаждения

• Motor-CAD Therm позволяет выбирать тип системы охлаждения, например водяная рубашка или вынужденная конвекция с использованием вентилятора.
• Пользователь определяет размеры корпуса, например размеры каналов или ребер, и указать исходные данные, зависящие от типа охлаждения, такие как расход и свойства жидкости.

Множество шаблонов для задания типа охлаждения

Шаг 2

Задание свойств материалов

• Motor-CAD Therm позволяет выбирать или определять теплофизические свойства для пропитки, изоляции паза и элементов корпуса.
• Возможно учесть производственные факторы, например зазор между шихтованным пакетом и корпусом, качество пропитки.

Шаг 3

Решение задачи

• На старте решения Motor-CAD автоматически создаёт эквивалентную тепловую цепь, которая и будет использована для определения температур в электрической машине.
• Определяется установившаяся температура, а также температуру двигателя в течение рабочего цикла, во временном диапазоне.
• Модули Motor- CAD EMag и Lab могут использовать вычисленную температуру для итеративного уточнения решения

Решение тепловой задачи в Motor-CAD

Шаг 4

Формирование отчётов

• В отчётах содержится обширная информация о тепловой модели, включая температуры, осевое распределение температуры, потери, коэффициенты теплопередачи, тепловые сопротивления и многое другое.

 

Motor-CAD Lab

Расчёт эффективности и производительности для рабочего цикла

Обеспечивает быстрый и точный анализ любой конструкции электрической машины во всем рабочем диапазоне. Расчётный модуль связывается с Motor-CAD EMag и Therm для построения карт эффективности и кривых моментоограничения.

Ключевые особенности:

• Создание карт потерь и эффективности.
• Определение максимальной кривой моментоограничения.
• Определение кривой моментоограничения в продолжительном режиме с учетом ограничений по температуре
• Анализ производительности в длительном смешанном цикле работы
• Использует стратегии управления максимальная эффективность и максимальный момент на ампер (MTPA)

Процесс решения задачи в Lab

Шаг 1

Построение модели

• Используется модель насыщения и потерь в электромагнитном решателе FEA для быстрого построения и сохранения поверхности отклика

Поверхность отклика потерь в стали от величины и угла вектора тока, рассчитанная с помощью решателя FEA

Шаг 2

Вычисления карт эффективности и кривых моментоограничения

• При построении карты эффективности и кривой моментоограничения используются заданные пользователем: источник питания, стратегия управления, максимальный ток инвертора, максимальная глубина модуляции.
• Построение модели и вычисления карт эффективности и пиковых кривых моментоограничения происходит за считанные секунды.

Вычисления карт эффективности с учетом температуры и определение теплового состояния при циклическом профиле нагрузки

• Итеративное решение модулей Motor-CAD Lab и Therm используется для определения кривой моментоограничения в продолжительном режиме работы, максимальный продолжительный вращающий момент во всем диапазоне скоростей, в пределах заданных температур обмотки и ротора.
• Лабораторный модуль также рассчитывает потери и изменение температуры конструкции прототипа за цикл работы.

Карты эффективности и кривые моментоограничения в пиковом и продолжительном режиме работы электрической машины

Шаг 3

Формирование отчётов

• Пользователи могут строить, визуализировать и изучать большое количество различных выходных данных, таких как характеристики мощности / скорости, карты потерь, карты эффективности, КПД за цикл работы и тепловые карты.
• Результаты могут быть экспортированы в различные стандартные форматы данных.
• Работа в Motor-CAD может быть полностью автоматизирована и управляться с помощью скриптов, MATLAB®, Excel®, а также ряда других сторонних решений для оптимизации.

Сопряженное решение тепловой и электромагнитной задачи для цикла работы двигателя

 

Motor-CAD Mech

Конструкционный расчёт с использованием 2D конечно-элементного решателя с адаптивной сеткой для определения напряжений и перемещений в роторе за рабочий цикл.

Ключевые особенности:

• Вычисление напряжений и перемещений в роторе за рабочий цикл
• Оптимизация дизайна ротора для увеличения электромагнитной производительности, принимая во внимание механическое ограничения
• Автоматическое построение сеточной модели
• Обеспечивает очень быстрое решение

Процесс решения задачи в Lab

Шаг 1

Определение ротора двигателя

• Геометрия ротора вводится с помощью параметризованных шаблонов, где можно указать основные параметры, такие как количество полюсов, внутренний и внешний диаметры.
• Для машин IPM могут быть заданы дополнительные параметры, такие как магнитные зазоры, барьеры, мосты и т.д.
• Материалы ротора могут быть выбраны из базы данных Motor-CAD или настроены пользователем
• Для анализа механических напряжений необходимы данные об Модуль Юнга, плотности, коэффициенте Пуассона. В качестве критерия для расчётов можно определить предел текучести и предел прочности при растяжении.

Шаг 2

Дополнительные настройки

• После ввода данных о роторе двигателя, пользователь может детально настроить плотность сетки в областях с высокими напряжениями для получения более точных результатов. FEA решатель автоматически задает граничные условия, симметрию ротора для ускорения вычислений.
• Заданная скорость вращения ротора используется для определения центробежного давления в структуре.
• Возможно включить в расчёт магниты (BPM) или стержни клетки (IM) ротора, для оценки результирующего влияния.
• Для машин IPM возможно настраивать контакт между магнитами и ротором для учета склеивания магнитов с шихтованным пакетом, чтобы обеспечить реалистичные результаты.

Напряжения в роторе IPM машины на максимальной скорости

Шаг 3

Формирование отчётов

• Визуализация результатов направленных перемещений и распределение напряжений Фон-Мизеса в радиальном и поперечном сечениях ротора.
• На вкладке «Mech output» отображаются численные данные из FEA решения, включая усредненное напряжение, максимальное напряжение по Фон-Мизесу и коэффициент безопасности по отношению к пределу текучести ротора.
• Motor-CAD имеет встроенный анализ чувствительности для вариативного анализа «что, если».

 

Детальный анализ и валидация

Motor-CAD может быть связан с ANSYS Maxwell для выполнения детального анализа поля и проверки модели после начального проектирования. ANSYS Maxwell используется для выполнения точных 2D и 3D расчетов производительности машины, включая эффекты, вызванные линейным поступательным и вращательным движением, расширенного анализ гистерезиса, размагничивания постоянных магнитов и других критических электромагнитных параметров машины.

ANSYS Maxwell интегрирован в интерфейс ANSYS Electronics Desktop, где для всех расчётных модулей используется одна CAD модель, и может быть связан с ANSYS Mechanical, ANSYS Fluent или ANSYS Icepak. Механические, тепловые, CFD и акустические решатели позволяют проводить междисциплинарные вычисления, необходимые для детального анализа электрической машины. Потери, рассчитанные ANSYS Maxwell, могут быть использованы в качестве входных данных для теплового или CFD-решателя для расчета распределений температур машины и оценки стратегий охлаждения.

Электромагнитные силы и вращающий момент, рассчитанные в Максвелле, используются в качестве входных данных для анализа деформаций и дальнейшей оценки потенциальных вибраций. Способность проводить детальный междисциплинарный анализ электрических машин с помощью решателей ANSYS существенно отличает ANSYS Motor-CAD от конкурентов.

Виброакустический анализ электрических машин