基于多物理场的稳健电机设计

2016-12-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

电磁、机械与热仿真加上设计优化能够帮助提高稳健电机的能源效率,降低噪声和延长轴承使用寿命。

根据国际能源署的一项分析,电机是耗电最多的单个设备,其占工业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》指出发达国家计划在未来25 年每年将能源效率提高1.8%。此项任务必须主要依靠电机设计的改进。开发此类设备的企业必须确保电机具有低运行噪声和较长的使用寿命。工程师在过去的两个世纪一直努力平衡电机设计的改进与优化需求,而目前需要全新的方法与工具以取得新进展。

WEG 是美洲最大的工业电机制造商,同时也是全球最大的工业电机制造商之一,其设备年产量超过1000 万套。WEG工程师采用ANSYS 的电机综合设计解决方案实现电磁、机械与热仿真。设计优化已经帮助工程团队在最新W50 系列电机中实现最佳能源效率、低运行噪声和较长的轴承使用寿命。

ANSYS 的丰富功能有助于在无需单独评估各个设计方案的情况下设计和优化电机。

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响应面图能够显示随多个设计变量变化的风扇气流效率。

产品复杂性:日益艰巨的挑战

功率范围介于125~1750 马力之间的大型电机一般会采用两台风扇:一台用于电机内部冷却,另一台用于外部冷却。这些风扇会消耗大量功率,而WEG 工程师认为可行的能源效率提高方法就是改善风扇的效率。他们把注意力集中到内部风扇的上面,尤其是降低电机的气流损耗。风扇产生的气流会流经机架的开口。扩大开口能够降低损耗,但该方法也会降低电机的电磁性能。

WEG 的工程师采用ANSYS CFD软件建立电机内部的气流模型。他们将机架上的通风口等关键参数定义为参数化尺寸变量。由于许多此类设计参数都会影响到电机的电磁性能,因此工程师建立了与CFD 模型具有相同参数变量的ANSYS Maxwell 电机电磁模型。他们创建了各个参数的变化数值表。

WEG 采用ANSYS DesignXplorer创建试验设计(DOE),其把设计空间进行细分,以便通过少量仿真试验实现有效利用以及在无人工干预情况下执行多物理场仿真。ANSYS Workbench环境中的综合仿真工具以及ANSYS DesignXplorer 的设计优化功能使WEG能够将仿真次数从2005 年的每月4 次提高到目前的每月800 次。此外,高性能计算(HPC)也为此方面的改进提供了帮助。WEG 采用面向CFD 的HPCPack,而Maxwell 在8 个工作站的64个分布式内核运行。

各个设计点的输出结果存储到一个表格中,同时通过能完全映射设计空间的响应面图显示。响应面可用图形方式显示变量对风扇损耗的影响。

由于计算资源的限制,此情况下的仿真并未耦合;不过,WEG 将来会采用耦合多物理场仿真、在考虑所有相关物理场情况下更准确地确定参数变量的最佳值。WEG 的工程师通过手动对比响应面图、图形和表格进行CFD 与电磁分析,以确定能够带来最佳性能的参数变量组合。为了找出最佳组合,工程师随后重新执行电磁与CFD 仿真,同时选择能提供最佳性能的结果:显著降低风扇损耗,最终提高能源效率,同时不会降低电磁性能。

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ANSYS CFX 仿真前后对比证明改善气流后与前一代设计相比能够降低W50 型电机的风扇损耗。

降低噪声

此外,WEG 的工程师还希望降低最新W50 型电机设计的噪声。电机噪声主要来自两个独立来源:空气动力噪声与电磁噪声。空气动力噪声由风扇转子产生并通过空气传播;WEG 的工程师采用ANSYS CFD 优化风扇转子的几何结构,以最大限度地降低空气动力噪声。电磁噪声来源于定子与转子产生的磁场相互作用。在合力频率激励机械结构的固有频率这样的极端情况下,此类噪声会大幅提高。

WEG 工程师采用 ANSYS CFD 优化内部风扇系统。他们设计出能降低电机长度的新型内部风扇系统,其可以提高动态性能。但是,最初设计并不可行,因此工程师采用ANSYS DesignXplorer优化了内部风扇的几何结构,同时开发出符合要求的全新解决方案。新的内部风扇能减少振动,提高电机的功率密度和增加最高转速。

为了在原型设计阶段前预测和消除电机的电磁噪声,WEG 工程师采用电磁仿真技术计算电磁力与损耗。这些量值可用作预测机械振动的结构与热仿真的输入数据。WEG 的工程师采用ANSYS应用定制工具包实施拓扑优化方法,以提高机架的固有频率。他们然后设置参数变量,并采用ANSYS DesignXplorer运行设计点表和优化设计,以确保产生最低水平的噪声。

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ANSYS Maxwell 仿真可帮助优化风扇损耗与电磁性能的权衡。

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带两个设计变量(一个位于X 轴,另一个位于多曲线图)的风扇效率图

延长轴承的使用寿命

轴承通常是电机使用过程中最先出现故障的组件,而轴承的使用寿命与工作温度息息相关。当轴承的运行温度越低,其使用寿命越长,同时润滑周期(加润滑油的频率)也就越长;因此电机需要更少维护。该团队进行了轴承周边气流的CFD 分析,同时更改了相关区域部分组件的形状与尺寸,以确保稳定的气流和降低工作温度。

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ANSYS Mechanical仿真预测结构的振动,以降低噪声。

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轴承四周气流的CFD仿真可用于降低轴承的工作温度。

根据上述以及其它多物理场仿真,WEG的工程师开发出W50型电机的详细设计。公司然后创建了原型。物理测试表明设计与仿真预测的完全相符。因此,在原型设计阶段只需要少量轻微修改。而一般情况下会需要更多大幅的设计修改。一次性完成正确设计可节约大量费用。

全新W50 型电机与现有的同类产品相比性能有着显著提高。虽然能源效率随着相关应用而变化,但是其普遍显著优于目前相同应用中的最佳电机。新型电机噪声电平极低,在3600rpm(60Hz)时仅82dB(A),而3000rpm(50Hz)时仅78dB(A)。轴承的使用寿命提高到10万小时(L10h),而之前仅有4 万小时。至少90% 的电机能够达到L10h 的使用寿命。ANSYS 多物理场工具帮助WEG实现了业界最佳的电机性能,同时显著缩短研制周期和降低产品开发成本。

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