基于多物理场仿真的电机与发电机定制设计

时间:2020-01-15 浏览:
电机和发电机包含电子流经的旋转磁性线圈。流经电子的导线电阻与旋转装置的摩擦力会导致热量聚集。热能损耗部分无法做功,从而降低了电机与发电机的效率。随着结构组件中的温度上升会产生温度应力,过热也会造成结构问题。冷却气流可以用于耗散热量,但是,必须优化气流的物理性质才能达到最佳效果。
 
由于所有的物理效应是同时发生的,因此需要采用多物理场仿真方法。Marelli Motori工程师采用ANSYS多物理场解决方案开展电机与发电机的定制设计,从而解决各个行业的挑战,具体行业如:水力发电、热电联产、石油天然气、民用与商业海运、军用以及电机和发电机在爆炸性环境下的ATEX行业等。(ATEX包含两个欧盟指令,指令规定了在具有爆炸性环境中允许使用的设备和工作空间)。
 
机械、流体与机电多物理场解决方案
 
德国一家医院安装的Marelli Motori交流发电机机组示例
 
Marelli Motori工程师采用Mechanical对框架、护罩、冷却风机、电机轴和发电机进行设计优化。结构仿真的目标是降低组件重量的同时优化组件刚度。此外,研发团队还模拟了机器对于转子旋转产生的静态与动态力的响应;发现过大的力会导致组件变形、形成裂纹或疲劳,最终导致失效。
 
工程师将ANSYS Workbench用作多物理场仿真的通用平台,他们进行了ANSYS CFX仿真和结构仿真,以确定能够满足最佳结构完整性、高热效率和低成本的设计方案。转子组件(根据机械的空气环路,包括一台或两台冷却风机)、定子和换热器(有需求时)是电机或发电机的核心换热组件。
 
ANSYS CFX计算流体动力学(CFD)仿真通过优化机器中的气流,从而提高冷却效率并加快与环境的热交换。这样能够减少发电机与电机内部的热点,从而提高效率并最大幅度地增加功率输出。
 
最后,在多物理场仿真中把ANSYS Maxwell的结果添加到Mechanical和CFX中,以完善优化过程。为了减少产生电机振动的力,唯一的方法是采用Maxwell提取电磁力并把它导入Mechanical进行分析,从而评估框架的谐波响应。此外,Maxwell还可用于确定线圈中的热点,然后把分析结果与CFX计算结果相结合,以局部优化设计方案并改善热交换。利用ANSYS多物理场仿真,Marelli Motori工程师能够获得更高质量的结果,而且用时比过去其他仿真产品少60~70%。
 
 
生产制造挑战

 

 

 
如果导致重新设计,所有CFD仿真随后都会在试验室中进行评估。如图所示,面向工业用途的Marelli Motori电机正在进行测试
 
即使进行了机械、流体和机电仿真,优化后的设计方案仍然存在挑战:工程师无法高效制造电机或发电机。Marelli Motori工程师希望能够改进制造工艺,同时确保机器在每种工况下的安全性和可靠性。这是工程工作流程中最具挑战的部分,因为在工程师努力设计有助于机械散热的系列组件时必须同时考虑形状可行性、生产成本和总装便利性等约束性条件。通过在多物理场仿真过程中结合使用ANSYS Mechanical和ANSYS CFX,工程团队得以实现最佳的制造流程。在最近的一个项目中,工程师借助最新技术改进新的小型交流发电机系列研发产品,仿真技术帮助他们将设计时间大幅缩短。
 
 
应用实例

 

显然,各种设计参数在各个行业的作用不尽相同。在海洋行业中,电机和交流发电机要求低噪声以及超低振动,以免影响船舶乘客的体验。为了降低噪声和振动,工程师采用 Mechanical对电机机架和其他组件进行结构有限元分析和谐波响应计算。
 
发电机组是内燃机和电机或交流发电机的组合,可用作备用电源。机组柴油机的振动会激发系统的固有频率振动和谐波响应。Marelli Motori工程师通过 Mechanical进行模态分析,以确定不同工况的频率变化与谐波响应,最终分析交流发电机的动态特性。然后客户和发电机组设计人员开展协作,避免各个设计项目中的发电机组与周围结构发生共振。如果未执行前期分析,而完工后的发电机组在船舶内部产生了振动和结构噪声,则修复工作会产生巨大的额外费用甚至导致项目延期。
 
海洋行业中的最大功率发电机及其交流发电机的仿真
 
在发电行业中,最重要的环节是提高效率。主要方法是采用CFD仿真改善机器的冷却气流,并把相关结果与EM仿真相结合,通过降低损耗来优化电气部件。Marelli Motori工程师每天都在进行此类多物理场仿真,如果在数值仿真后有任何修改,工程师都会在实验室中进行评估,根据国际标准证明其在温度和效率方面的优势。
 
 
采用ANSYS CFX进行换热仿真的示例。一名专家级用户在8个小时内完成了5项仿真。利用ANSYS Discovery Live,用户在2个小时内完成了多次仿真并实现了最佳设计。
 
 
采用仿真实现设计理念
 
ANSYS Discovery Live于2018年初发布后,Marelli Motori是率先采用该软件的公司之一。Discovery Live是首款允许工程师和设计人员在进行仿真过程中修改几何结构参数和其他属性参数、并即时查看修改结果的仿真解决方案。Marelli Motori致力于高品质、高可靠性的定制产品,并努力快速满足客户需求,他们随即意识到这种快速的仿真结果可以帮助自己更快地应对客户需求。例如在开展封闭式交流发电机换热的仿真时,一名专家级CFX用户在8个小时内分析了五种不同的设计方案;而采用Discovery Live,这名工程师只用两个小时就实现了最佳设计节约了6个小时。
 
在ANSYS多物理场仿真的帮助下,Marelli Motori工程师设计出适合定制电机和发电机的最佳组件,从而提高了其在全球市场的竞争力。与此同时,Marelli Motori研发团队和ANSYS仿真技术的协作实现了更高效率、更低成本、更短的研发时间和更高的可靠性,客户们对此赞赏有加。
ANSYS CFX转子仿真
 
本文来源于《ANSYS Advantage杂志》
作者:Nicola Pornaro,意大利阿孜南诺Marelli Motori股份公司机械技术研发协调员


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