Использование технологий физического моделирования при разработке электродвигателей позволяет эффективнее внедрять инновационные решения благодаря сокращению сроков разработки и количества необходимых физических прототипов, а также за счёт возможности исследовать большее число различных вариантов конструкции. Продукты ANSYS позволяют производить широкий диапазон различных расчётов электрических машин: расчёты магнитных полей, тепловые расчёты, расчёт акустики и вибраций, расчёт системной модели взаимодействия электрической машины с управляющей электроникой.

Мы рады сообщить, что в 19-й версии ANSYS в рамках продукта ANSYS Maxwell появился новый инструмент, направленный на разработку электрических машин с широким диапазоном эксплуатационных режимов по скорости, крутящему моменту, электрическому току и т.д. Типовой пример такой электрической машины – двигатель гибридного автомобиля, который должен обеспечивать высокий крутящий момент при ускорении и работать на больших оборотах на крейсерском режиме. При разработке таких электродвигателей и их контроллеров конструкторы сталкиваются с рядом проблем. В частности, затруднительными являются вопросы оптимизации под широкий диапазон режимов.

Конструкция, оптимизированная для низких оборотов и высокого крутящего момента, будет далека от совершенства при эксплуатации на высоких оборотах. Кроме этого, возникает вопрос об оптимальных алгоритмах управления электродвигателем на заданных оборотах и крутящем моменте. Таким образом, для разработки подобных электрических машин инженеры должны не только располагать точными результатами моделирования по какому-то конкретному режиму, но и понимать поведение машины в широком диапазоне режимов. Мы рады представить набор инструментов Machine Toolkit, призванный решать такие задачи. Эти инструменты являются бесплатным дополнением к базовому функционалу продукта Maxwell и позволяют инженерам строить диаграммы энергоэффективности для всего диапазона эксплуатационных режимов. Набор Machine Toolkit создан с учётом типовых вопросов, возникающих у конструкторов электрических машин

.Данные, которые необходимо ввести пользователю, включают:

• Тип машины (машина на постоянных магнитах или асинхронная машина)
• Характеристики машины: количество полюсов, максимальный ток, максимальные обороты, тип контроллера
• Параметры точности результатов (количество шагов на диапазонах оборотов, крутящего момента)

На основе введенной информации запускается процесс расчёта параметрической модели в заданном диапазоне режимов. Для решения поставленной задачи обычно необходимо провести несколько сотен нестационарных расчётов. При помощи Machine Toolkit они запускаются автоматически. Общее время расчёта может быть значительно уменьшено за счёт использования параллельных вычислений. Расчёты при различных параметрах можно запускать не последовательно, а одновременно, используя различные ядра рабочей станции или счётного кластера. При этом обеспечивается отличная масштабируемость: использование 10 ядер вместо одного ускоряет расчёт примерно в 9 раз, а использование 100 ядер – примерно в 90 раз.

По завершении расчётов автоматически формируется сводная информация о параметрах производительности электрической машины на каждом режиме и запускается процесс многокритериальной оптимизации. По завершении процесса оптимизации пользователь может оценить результат по зависимостям коэффициента полезного действия, электрического тока, величин потерь и т.д.

Ниже для примера представлена зависимость коэффициента полезного действия для машины с ротором на постоянных магнитах от скорости и крутящего момента:

По оси X отложены обороты двигателя за минуту, по оси Y – крутящий момент в Н·м. График показывает, что данный электромотор обладает наибольшей эффективностью в диапазоне до 4 тысяч оборотов в минуту и при крутящем моменте до 250 Н·м.

Для асинхронной машины график будет выглядеть несколько по-другому:

Ниже для примера представлена зависимость коэффициента полезного действия для машины с ротором на постоянных магнитах от скорости и крутящего момента:

В сравнении с двигателем на постоянных магнитах, высокая эффективность сохраняется и на больших оборотах и большом крутящем моменте. На низких оборотах и моменте эффективность, напротив, снижается.

Возможность получения таких графиков в автоматическом режиме является очень полезной для разработчиков электрических машин.

Кроме того, с использованием параллельных вычислений, сотни нестационарных расчётов проводятся всего за несколько часов. Несколько лет назад формирование таких графиков могло занимать несколько дней и требовать определённых навыков в программировании. Сегодня процесс целиком автоматизирован, так что в течение рабочего дня инженер может проанализировать несколько различных вариантов конструкции.

Источник: ansys.soften.com.ua