Làm thế nào để mô phỏng giúp bạn vượt qua những thử thách trong đánh giá NVH thiết bị điện

  • 2022-06-27 ---

  • Ồn, rung động và độ xóc () là một tiêu chí thiết kế quan trọng cho rất nhiều ứng dụng liên quan đến các thiết bị điện như thiết bị y tế, thiết bị điện di động, đồ gia dụng. Mức độ rung cao làm giảm tuổi thọ của thiết bị điện, trong khi âm thanh lớn tạo ra ô nhiễm tiếng ồn và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và sự thoải mái. Ngoài ra, trong các ứng dụng quan trọng như thiết bị quân sự, tạo ra tín hiệu âm thanh rung động. Không có gì ngạc nhiên khi một số tiêu chuẩn và chứng nhận quốc gia và quốc tế yêu cầu hạn chế độ rung, độ ồn do thiết bị tạo ra ở một mức độ chấp nhận được.

    Mô phỏng tiếng ồn động cơ

    Các hệ thống đa thành phần với các máy điện nhúng như xe điện, thiết bị gia dụng, thiết bị y tế là những hệ thống phức tạp. Do sự phức tạp này và sự kết hợp phi tuyến đa trường giữa điện từ và ứng xử kết cấu của hệ thống, mức độ ồn âm học không dễ dự đoán nếu không có mô hình và mô phỏng thích hợp. Việc dựa vào phương pháp thử nghiệm thuần túy trong thiết kế và tối ưu hóa các máy điện chạy êm hơn làm tăng chi phí và thời gian điều chỉnh thiết kế. Trong rất nhiều trường hợp, các vấn đề được xác định trong quá trình thử nghiệm nguyên mẫu, đây là giai đoạn cuối cùng của chu trình thiết kế. Thực hiện thiết kế trong giai đoạn này là tốn kém và làm chậm chu kỳ sản xuất. Đây là lúc mô phỏng phát huy tác dụng.

    Mô phỏng có thể giúp dự đoán chính xác độ rung và tiếng ồn âm thanh ngay ở giai đoạn đầu chu kỳ thiết kế, do đó là chìa khóa để giảm chi phí sản xuất và thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.

    Đâu là nguyên nhân gây ra ồn trong máy điện?

    Máy điện là một thuật ngữ chung cho các máy móc như động cơ điện, máy phát điện. Chức năng chính của chúng là biến đổi điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại. Trong quá trình hoạt động của những máy móc này, có nhiều nguồn khác nhau gây ra rung động và tiếng ồn như lắp ráp cơ khí không hoàn hảo, khí động học rô-to và quạt, lực điện từ. Trong số đó, lực điện từ, đặc biệt là lực hướng tâm là nguyên nhân chính tạo ra âm thanh khó chịu phát ra từ máy điện. Lực điện có hai thành phần: lực hướng tâm và lực tiếp tuyến. Lực hướng tâm không góp phần chuyển đổi năng lượng trong khi tạo ra dao động. Mặt khác, lực tiếp tuyến góp phần chuyển đổi năng lượng thông qua momen xoắn điện từ và tạo ra tiếng ồn, độ rung thông qua xung momen xoắn.

    Tiếng ồn khí động học truyền trực tiếp ra không gian xung quanh trong khi lực và rung động truyền qua các kết cấu cơ học và sau đó bức xạ ra không gian thông qua chuyển dịch bề mặt.

    Các nguồn tiếng ồn âm học trong máy điện

    Các nguồn tiếng ồn âm học trong máy điện

    Tại sao khó khăn để dự đoán độ rung và ồn âm học trong máy điện?

    Dự đoán độ rung và tiếng ồn do máy điện tạo ra là một nhiệm vụ quan trọng nhưng đầy thách thức do các miền vật lý khác nhau và sự tương tác phức tạp giữa các miền này. Các phân tích điện từ, nhiệt động lực học và rung động âm học được kết hợp để dự đoán chính xác tiếng ồn do máy điện tạo ra. Điều này càng trở nên khó khăn hơn khi coi máy điện như một bộ phận tích hợp của một hệ thống lớn như hệ thống truyền lực điện. Tương tác giữa máy điện và các bộ phận khác của hệ thống như hộp số, phần cứng lắp đặt ảnh hưởng đáng kể đến độ rung và tiếng ồn cần được xem xét trong mô phỏng. Do đó, để dự đoán chính xác tiếng ồn âm thanh, có 4 yếu tố quan trọng:

    1. Cần có giải pháp mô phỏng độ trung thực cao để tính đến tất các trường vật lý liên quan.
    2. Một nền tảng để kết hợp tất cả các yếu tố vật lý khác nhau.
    3. Khả năng tham số hóa và tối ưu các thông số thiết kế máy cho từng trường vật lý.
    4. Khả năng tính toán hiệu năng cao (HPC) để tăng tốc mô phỏng.

    Một phân tích chi tiết là cần thiết để tinh chỉnh thiết kế nhằm tối ưu hóa hiệu suất , nhưng nó có thể không phải giải pháp tốt nhất cho các giai đoạn thiết kế ý tưởng, nơi các nhà thiết kế cần chọn cấu trúc liên kết phù hợp trong số nhiều lựa chọn và thực hiện các nghiên cứu lặp đi lặp lại. Kiểm tra nhanh chóng trong quá trình thiết kế có thể loại bỏ các trường hợp độ ồn cao và có thể tiết kiệm rất nhiều thời gian bằng cách tránh các thay đổi đánh kể trong quá trình tối ưu hóa. Quy trình xử lý nhanh vẫn nên bao gồm các trường vật lý chính với các mô hình hiệu quả hơn về thời gian.

    Tận dụng mô phỏng để đạt được các yêu cầu về trong máy điện

    Ansys cung cấp giải pháp đầy đủ cho máy điện. Giải pháp bao gồm quy trình làm việc nhanh và quy trình làm việc có độ trung thực cao để tính toán tiếng ồn âm thanh có nguồn gốc từ lực điện từ và cơ học. Tiếng ồn có nguồn gốc từ khí động cũng có thể được tính toán bằng cách sử dụng Ansys Fluent.

    Quy trình phân tích nhanh

    Quy trình phân tích nhanh được phát triển cho giai đoạn thiết kế ý tưởng, nơi cần so sánh nhanh mức độ tiếng ồn cho các thiết kế/cấu trúc liên kết động cơ khác nhau và chỉ mất vài phút để dự đoán tiếng ồn khi quét đầy đủ các tốc độ khác nhau của động cơ. Nó có thể sớm xác định nguyên nhân gây ra tiếng ồn động cơ và giúp thực hiện các thay đổi thiết kế liên quan để cân bằng với các mục tiêu hiệu suất động cơ khác nhau, cho phép đồng thời điều tra hành vi , nhiệt và điện từ.

    Quy trình làm việc thể hiện trong hình 3 được tích hợp hoàn toàn vào Ansys Motor-CAD. Nó bắt đầu với một phân tích điện từ dựa trên phần tử hữu hạn, được điều khiển bởi dòng điện, trong đó lực khe hở không khí được tính toán bằng cách sử dụng tensor ứng suất Maxwell. Các lực này có thể được vẽ dưới nhiều dạng khác nhau cùng với miền tần số và thời gian điều hòa. Sau đó, những lực này được sử dụng bởi một mô hình phân tích cơ học để tính toán chuyển động tự do và đáp ứng cưỡng bức. Vận tốc bề mặt sau đó được chuyển đến một mô hình phân tích âm thanh để tính toán các mức công suất âm thanh. Quy trình làm việc này có thể được sử dụng cho các giá trị khác nhau của momen xoắn, tốc độ và nhiệt độ.

    Quy trình phân tích nhanh độ ồn, rung động và độ xóc

    Quy trình phân tích nhanh độ ồn, rung động và độ xóc

    Quy trình trong Ansys Motor-CAD cung cấp cho các nhà thiết kế các biểu diễn khác nhau của lực, độ dịch chuyển và mức âm học như hình 4. Ngoài việc so sánh khái niệm, tốc độ của quy trình làm việc cho phép lặp lại thiết kế nhanh chóng để khảo sát nhiều tùy chọn khác nhau nhằm cải thiện hiệu suất .

    Các hình thức trực quan hóa kết quả về tiếng ồn, độ rung và độ xóc khác nhau có sẵn trong Ansys Motor-CAD

    Các hình thức trực quan hóa kết quả về tiếng ồn, độ rung và độ xóc khác nhau có sẵn trong Ansys Motor-CAD

    Độ trung thực cao là chìa khóa

    Quy trình làm việc có độ trung thực cao yêu cầu phân tích đa trường vật lý bằng cách sử dụng kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn 2D và 3D. Chúng tôi muốn đưa bạn đến với quy trình làm việc đa vật lý tốt nhất từ Ansys.

    Quy trình phân tích độ trung thực caoQuy trình phân tích độ trung thực cao

    Nhìn vào quy trình làm việc trong hình 5: đầu tiên, ứng cử viên thiết kế tốt nhất được chọn trong Ansys Motor-CAD. Sau đó, mô hình Maxwell 2D hoặc 3D có thể được tạo tự động. Phân tích từ trường được thực hiện trong Maxwell để tính toán các lực điện từ bên trong máy. Phân tích theo thời gian kết hợp mạch điều khiển cung cấp cho người dùng khả năng xem xét sóng điều hòa từ các bộ chuyển đổi công suất.

    Lực điện từ được ánh xạ tự động tới mô hình cơ học trong Ansys Mechanical để phân tích âm thanh rung động. Các chi tiết của cấu trúc động cơ điện như ổ trục, vỏ và giá đỡ có thể ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử dao động thông qua sự thay đổi tần số tự nhiên và giảm xóc tổng thể. Điều này có thể được mô hình hóa một cách chính xác trong Mechanical ở cả miền tần số và thời gian. Trong trường hợp hệ thống truyền động điện, rung động cơ học từ hộp số, ổ trục và hệ thống phụ trợ cũng có thể được bổ sung bằng cách sử dụng Ansys Motion. Mô-đun âm thanh trong Ansys Mechanical tính toán công suất âm thanh phát ra từ bề mặt máy điện.
    Cuối cùng, tiếng ồn âm thanh được tính toán có thể được gửi đến Ansys Sound để tạo ra âm thanh nghe được và hậu xử lý thêm. Song song đó, tiếng ồn khí động có thể được tính toán sử dụng Ansys Fluent và chuyển sang Ansys Sound để kết hợp với tiếng ồn âm thanh từ các nguồn cơ học và điện từ.
    Để kết hợp các yếu tố này lại với nhau, Ansys cung cấp nền tảng Workbench để kết nối tất cả các trường vật lý và một số thuật toán HPC trong suốt quá trình để tăng tốc tính toán. Một ví dụ để hiểu rõ hơn về cách các vật lý khác nhau được kết nối bên trong Ansys Workbench để thực hiện phân tích được thể hiện trong hình sau.

    Các trường vật lý khác nhau được kết nối trong Ansys Workbench để tính toán âm học được tạo ra từ máy điện.

    Các trường vật lý khác nhau được kết nối trong Ansys Workbench để tính toán âm học được tạo ra từ máy điện.

    Ansys cung cấp giải pháp cho mô phỏng trong máy điện từ thiết kế ý tưởng đển mức độ cảm nhận được âm thanh. Quy trình phân tích đa trường nhanh và độ trung thực cao được cung cấp để giải quyết nhu cầu phân tích trong toàn bộ quy trình thiết kế và xác nhận.
    Ngoài ra, Ansys optiSLang có thể được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất trong cả quy trình làm việc nhanh hoặc độ trung thực cao nhờ giải pháp điện toán đám may và HPC của Ansys.


    - Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này