搜索基于多物理場(chǎng)的穩(wěn)健電機(jī)設(shè)計(jì)
2016-12-07 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
電磁、機(jī)械與熱仿真加上設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠幫助提高穩(wěn)健電機(jī)的能源效率,降低噪聲和延長(zhǎng)軸承使用壽命。
根據(jù)國(guó)際能源署的一項(xiàng)分析,電機(jī)是耗電最多的單個(gè)設(shè)備,其占工業(yè)能耗的三分之二左右,占全球能耗的45% 左右?！妒澜缒茉凑雇?012》指出發(fā)達(dá)國(guó)家計(jì)劃在未來(lái)25 年每年將能源效率提高1.8%。此項(xiàng)任務(wù)必須主要依靠電機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)。開(kāi)發(fā)此類(lèi)設(shè)備的企業(yè)必須確保電機(jī)具有低運(yùn)行噪聲和較長(zhǎng)的使用壽命。工程師在過(guò)去的兩個(gè)世紀(jì)一直努力平衡電機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)與優(yōu)化需求,而目前需要全新的方法與工具以取得新進(jìn)展。
WEG 是美洲最大的工業(yè)電機(jī)制造商,同時(shí)也是全球最大的工業(yè)電機(jī)制造商之一,其設(shè)備年產(chǎn)量超過(guò)1000 萬(wàn)套。WEG工程師采用ANSYS 的電機(jī)綜合設(shè)計(jì)解決方案實(shí)現(xiàn)電磁、機(jī)械與熱仿真。設(shè)計(jì)優(yōu)化已經(jīng)幫助工程團(tuán)隊(duì)在最新W50 系列電機(jī)中實(shí)現(xiàn)最佳能源效率、低運(yùn)行噪聲和較長(zhǎng)的軸承使用壽命。
ANSYS 的豐富功能有助于在無(wú)需單獨(dú)評(píng)估各個(gè)設(shè)計(jì)方案的情況下設(shè)計(jì)和優(yōu)化電機(jī)。
響應(yīng)面圖能夠顯示隨多個(gè)設(shè)計(jì)變量變化的風(fēng)扇氣流效率。
產(chǎn)品復(fù)雜性:日益艱巨的挑戰(zhàn)
功率范圍介于125~1750 馬力之間的大型電機(jī)一般會(huì)采用兩臺(tái)風(fēng)扇:一臺(tái)用于電機(jī)內(nèi)部冷卻,另一臺(tái)用于外部冷卻。這些風(fēng)扇會(huì)消耗大量功率,而WEG 工程師認(rèn)為可行的能源效率提高方法就是改善風(fēng)扇的效率。他們把注意力集中到內(nèi)部風(fēng)扇的上面,尤其是降低電機(jī)的氣流損耗。風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流會(huì)流經(jīng)機(jī)架的開(kāi)口。擴(kuò)大開(kāi)口能夠降低損耗,但該方法也會(huì)降低電機(jī)的電磁性能。
WEG 的工程師采用ANSYS CFD軟件建立電機(jī)內(nèi)部的氣流模型。他們將機(jī)架上的通風(fēng)口等關(guān)鍵參數(shù)定義為參數(shù)化尺寸變量。由于許多此類(lèi)設(shè)計(jì)參數(shù)都會(huì)影響到電機(jī)的電磁性能,因此工程師建立了與CFD 模型具有相同參數(shù)變量的ANSYS Maxwell 電機(jī)電磁模型。他們創(chuàng)建了各個(gè)參數(shù)的變化數(shù)值表。
WEG 采用ANSYS DesignXplorer創(chuàng)建試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE),其把設(shè)計(jì)空間進(jìn)行細(xì)分,以便通過(guò)少量仿真試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)有效利用以及在無(wú)人工干預(yù)情況下執(zhí)行多物理場(chǎng)仿真。ANSYS Workbench環(huán)境中的綜合仿真工具以及ANSYS DesignXplorer 的設(shè)計(jì)優(yōu)化功能使WEG能夠?qū)⒎抡娲螖?shù)從2005 年的每月4 次提高到目前的每月800 次。此外,高性能計(jì)算(HPC)也為此方面的改進(jìn)提供了幫助。WEG 采用面向CFD 的HPCPack,而Maxwell 在8 個(gè)工作站的64個(gè)分布式內(nèi)核運(yùn)行。
各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的輸出結(jié)果存儲(chǔ)到一個(gè)表格中,同時(shí)通過(guò)能完全映射設(shè)計(jì)空間的響應(yīng)面圖顯示。響應(yīng)面可用圖形方式顯示變量對(duì)風(fēng)扇損耗的影響。
由于計(jì)算資源的限制,此情況下的仿真并未耦合;不過(guò),WEG 將來(lái)會(huì)采用耦合多物理場(chǎng)仿真、在考慮所有相關(guān)物理場(chǎng)情況下更準(zhǔn)確地確定參數(shù)變量的最佳值。WEG 的工程師通過(guò)手動(dòng)對(duì)比響應(yīng)面圖、圖形和表格進(jìn)行CFD 與電磁分析,以確定能夠帶來(lái)最佳性能的參數(shù)變量組合。為了找出最佳組合,工程師隨后重新執(zhí)行電磁與CFD 仿真,同時(shí)選擇能提供最佳性能的結(jié)果:顯著降低風(fēng)扇損耗,最終提高能源效率,同時(shí)不會(huì)降低電磁性能。
ANSYS CFX 仿真前后對(duì)比證明改善氣流后與前一代設(shè)計(jì)相比能夠降低W50 型電機(jī)的風(fēng)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(jī)設(shè)計(jì)的噪聲。電機(jī)噪聲主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)獨(dú)立來(lái)源:空氣動(dòng)力噪聲與電磁噪聲?？諝鈩?dòng)力噪聲由風(fēng)扇轉(zhuǎn)子產(chǎn)生并通過(guò)空氣傳播;WEG 的工程師采用ANSYS CFD 優(yōu)化風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的幾何結(jié)構(gòu),以最大限度地降低空氣動(dòng)力噪聲。電磁噪聲來(lái)源于定子與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用。在合力頻率激勵(lì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率這樣的極端情況下,此類(lèi)噪聲會(huì)大幅提高。
WEG 工程師采用 ANSYS CFD 優(yōu)化內(nèi)部風(fēng)扇系統(tǒng)。他們?cè)O(shè)計(jì)出能降低電機(jī)長(zhǎng)度的新型內(nèi)部風(fēng)扇系統(tǒng),其可以提高動(dòng)態(tài)性能。但是,最初設(shè)計(jì)并不可行,因此工程師采用ANSYS DesignXplorer優(yōu)化了內(nèi)部風(fēng)扇的幾何結(jié)構(gòu),同時(shí)開(kāi)發(fā)出符合要求的全新解決方案。新的內(nèi)部風(fēng)扇能減少振動(dòng),提高電機(jī)的功率密度和增加最高轉(zhuǎn)速。
為了在原型設(shè)計(jì)階段前預(yù)測(cè)和消除電機(jī)的電磁噪聲,WEG 工程師采用電磁仿真技術(shù)計(jì)算電磁力與損耗。這些量值可用作預(yù)測(cè)機(jī)械振動(dòng)的結(jié)構(gòu)與熱仿真的輸入數(shù)據(jù)。WEG 的工程師采用ANSYS應(yīng)用定制工具包實(shí)施拓?fù)鋬?yōu)化方法,以提高機(jī)架的固有頻率。他們?nèi)缓笤O(shè)置參數(shù)變量,并采用ANSYS DesignXplorer運(yùn)行設(shè)計(jì)點(diǎn)表和優(yōu)化設(shè)計(jì),以確保產(chǎn)生最低水平的噪聲。
ANSYS Maxwell 仿真可幫助優(yōu)化風(fēng)扇損耗與電磁性能的權(quán)衡。
帶兩個(gè)設(shè)計(jì)變量(一個(gè)位于X 軸,另一個(gè)位于多曲線圖)的風(fēng)扇效率圖
延長(zhǎng)軸承的使用壽命
軸承通常是電機(jī)使用過(guò)程中最先出現(xiàn)故障的組件,而軸承的使用壽命與工作溫度息息相關(guān)。當(dāng)軸承的運(yùn)行溫度越低,其使用壽命越長(zhǎng),同時(shí)潤(rùn)滑周期(加潤(rùn)滑油的頻率)也就越長(zhǎng);因此電機(jī)需要更少維護(hù)。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了軸承周邊氣流的CFD 分析,同時(shí)更改了相關(guān)區(qū)域部分組件的形狀與尺寸,以確保穩(wěn)定的氣流和降低工作溫度。
ANSYS Mechanical仿真預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng),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(jù)上述以及其它多物理場(chǎng)仿真,WEG的工程師開(kāi)發(fā)出W50型電機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。公司然后創(chuàng)建了原型。物理測(cè)試表明設(shè)計(jì)與仿真預(yù)測(cè)的完全相符。因此,在原型設(shè)計(jì)階段只需要少量輕微修改。而一般情況下會(huì)需要更多大幅的設(shè)計(jì)修改。一次性完成正確設(shè)計(jì)可節(jié)約大量費(fèi)用。
全新W50 型電機(jī)與現(xiàn)有的同類(lèi)產(chǎn)品相比性能有著顯著提高。雖然能源效率隨著相關(guān)應(yīng)用而變化,但是其普遍顯著優(yōu)于目前相同應(yīng)用中的最佳電機(jī)。新型電機(jī)噪聲電平極低,在3600rpm(60Hz)時(shí)僅82dB(A),而3000rpm(50Hz)時(shí)僅78dB(A)。軸承的使用壽命提高到10萬(wàn)小時(shí)(L10h),而之前僅有4 萬(wàn)小時(shí)。至少90% 的電機(jī)能夠達(dá)到L10h 的使用壽命。ANSYS 多物理場(chǎng)工具幫助WEG實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最佳的電機(jī)性能,同時(shí)顯著縮短研制周期和降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。
最終虛擬電機(jī)原型只需輕微修改,從而能夠加快產(chǎn)品的上市進(jìn)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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