Giải pháp điện khí hóa cho động cơ và máy phát điện
Thị trường thiết bị phát điện đang phát triển cạnh tranh hơn bao giờ hết, với yêu cầu của khách hàng ngày càng cao hơn, đòi hỏi sản phẩm thân thiện với môi trường, an toàn hơn mà chi phí lại thấp hơn. Marelli Motori đáp ứng được tất cả các nhu cầu trên bằng cách sử dụng tính năng mô phỏng đa trường vật lý trong các phần mềm ANSYS Maxwell, ANSYS Mechanical và ANSYS CFD để cung cấp các giải pháp phù hợp theo nhu cầu của khách hàng.
Gần đây, họ còn bắt đầu sử dụng ANSYS Discovery Live để thu được kết quả mô phỏng tức thời với mọi thay đổi nhanh chóng của hình dạng hoặc điều kiện hoạt động của sản phẩm, giúp giảm đáng kể thời gian thiết kế.
"Các kỹ sư đã sử dụng ANSYS Maxwell để xác định các điểm nóng trong cuộn dây và kết hợp phân tích này với tính toán ANSYS CFX để cải thiện hiện hiệu suất trao đổi nhiệt."
Động cơ điện và máy phát điện có chứa cuộn dây từ quay để các electron chạy qua. Điện trở của các electron đi qua dây dẫn cùng với ma sát do các thiết bị quay tạo ra làm tích tụ nhiệt. Năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt không có sẵn để làm việc, làm giảm hiệu quả của động cơ và máy phát điện.
Lượng nhiệt quá mức cũng có thể gây ra các vấn đề về kết cấu như tích tụ nhiệt trong các thành phần kết cấu và gây ra ứng suất. Có thể sử dụng luồng khí mát để phân tán nhiệt, nhưng tính chất vật lý của luồng khí phải được tối ưu hóa để đạt hiệu quả tối đa.
Do tất cả các hiệu ứng vật lý này xảy ra đồng thời nên đòi hỏi các kỹ sư phải sử dụng mô phỏng đa trường vật lý. Các kỹ sư Marelli Motori đã sử dụng giải pháp đa trường vật lý của ANSYS đối với các động cơ và máy phát được thiết kế tùy chỉnh để giải quyết các thách thức về thủy điện, đồng phát, dầu khí, vận tải biển dân dụng và thương mại, ứng dụng quân sự, các ứng dụng ATEX liên quan đến máy phát điện và động cơ trong môi trường khí dễ nổ và các ứng dụng khác. (ATEX là tiêu chuẩn chống cháy nổ của Châu Âu dùng để đánh giá các thiết bị điện có khả năng ngăn ngừa sự cố cháy nổ và được phép hoạt động trong môi trường khí dễ nổ).
Giải pháp đa trường vật lý cơ học, dòng chảy và cơ điện
Ví dụ về một cụm phát điện với máy điện xoay chiều của Marelli Motori lắp đặt tại bệnh viện ở Đức
Các kỹ sư Marelli Motori đã sử dụng ANSYS Mechanical để tối ưu hóa thiết kế của khung, lưới chắn bảo vệ, quạt làm mát, trục động cơ và máy phát điện. Mô phỏng cấu trúc tập trung vào việc giảm trọng lượng của các thành phần này trong khi tối ưu hóa độ cứng.
Nhóm R & D của Marelli Motori cũng mô phỏng phản ứng của máy với các lực tĩnh và động do vòng quay của rotor tạo ra; lực quá tải có thể dẫn đến hỏng linh kiện như biến dạng, hình thành nứt hoặc mỏi.Các kỹ sư của Marelli Motori còn sử dụng ANSYS Workbench làm nền tảng chung để thực hiện mô phỏng đa trường vật lý và chạy mô phỏng ANSYS CFX cùng với các cấu trúc để xác định thiết kế có thể kết hợp tính toàn vẹn cấu trúc tối ưu tốt nhất, mang lại hiệu quả nhiệt và giảm chi phí.
Tổ hợp rotor (bao gồm quạt làm mát đơn hoặc đôi, tùy thuộc vào mạch khí máy), stator và bộ trao đổi nhiệt (khi cần) là thành phần trao đổi nhiệt cốt lõi của động cơ hoặc máy phát.Các mô phỏng tính toán động lực học chất lưu (CFD) của ANSYS CFX làm tăng hiệu quả làm mát và trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh bằng cách tối ưu hóa luồng khí qua các máy.
Điều này giúp giảm các điểm nóng bên trong máy phát điện và động cơ để tăng hiệu suất và tối đa hóa sản lượng điện.
Cuối cùng, sử dụng kết hợp ANSYS Maxwell, Mechanical và CFX để mô phỏng đa trường vật lý giúp hoàn thành quá trình tối ưu hóa. Cách duy nhất để giảm lực tạo ra rung động của động cơ là trích xuất lực từ bằng cách sử dụng Maxwell và xuất chúng vào tính năng phân tích Mechanical để đánh giá đáp ứng điều hòa của khung. Maxwell cũng được sử dụng để xác định các điểm nóng trong cuộn dây và kết hợp kết quả phân tích này với tính toán CFX để tối ưu hóa cục bộ thiết kế và cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt.
Mô phỏng ANSYS Multiphysics mang lại kết quả chất lượng cao hơn trong thời gian ít hơn từ 60% đến 70% so với các sản phẩm mô phỏng khác mà các kỹ sư của Marelli Motori đã sử dụng trước đây. Mức độ tùy biến này đòi hỏi mô phỏng kỹ thuật phải linh hoạt, toàn diện và chính xác.
Những thách thức sản xuất
Mô phỏng CFD
Ngay cả sau khi thiết kế đã được tối ưu hóa bằng cách sử dụng mô phỏng cơ học, dòng chảy và cơ điện, thách thức xây dựng động cơ, máy phát điện có hiệu quả và hiệu suất cao vẫn còn tồn tại. Các kỹ sư của Marelli Motori muốn tạo điều kiện thuận lợi cho các hoạt động xây dựng trong khi vẫn giữ được độ tin cậy và an toàn cơ học cho từng điều kiện vận hành.
Đây là phần khó khăn nhất trong quy trình kỹ thuật, bởi trong khi các kỹ sư đang cố gắng thiết kế một bộ phận linh kiện giúp tối ưu hóa quá trình trích xuất nhiệt từ máy, họ phải đồng thời xem xét các hạn chế về tính khả thi của hình dạng, chi phí sản xuất và quy trình lắp ráp cuối cùng.
Đội ngũ kỹ thuật đã sử dụng kết hợp hai phần mềm ANSYS Mechanical và ANSYS CFX trong một mô phỏng đa trường vật lý để có một quy trình sản xuất tốt nhất. Sử dụng mô phỏng ANSYS đã giúp tiết kiệm thời gian hơn trong dự án phát triển một loạt máy điện xoay chiều nhỏ với những cải tiến công nghệ mới nhất.
Các mẫu ứng dụng
Có thể thấy rằng, các thông số thiết kế khác nhau có tầm quan trọng thay đổi theo từng ứng dụng. Trong các ứng dụng hàng hải, động cơ và máy điện xoay chiều phải hoạt động êm với độ rung rất thấp để tránh gây ảnh hưởng đến trải nghiệm của hành khách trên tàu.
Do đó, cần phải sử dụng ANSYS Mechanical để phân tích phần tử hữu hạn kết cấu và tính toán đáp ứng điều hòa trên khung và các thành phần khác để giảm tiếng ồn và rung động. Cụm phát điện là sự kết hợp của động cơ đốt trong với động cơ điện hoặc máy điện xoay chiều, được sử dụng làm nguồn điện dự phòng. Rung động từ động cơ diesel có thể kích thích tần số tự nhiên và đáp ứng điều hòa trong hệ thống.
Các kỹ sư của Marelli Motori đã chạy phân tích phương thức trong ANSYS Mechanical để tìm các tần số và đáp ứng điều hòa khác nhau, tùy theo điều kiện vận hành, để phân tích trạng thái động của máy điện xoay chiều.
Tiếp theo, khách hàng và nhà thiết kế cụm phát điện sẽ hợp tác với nhau để tránh mọi sự cộng hưởng có thể có của toàn bộ cụm phát điện với kết cấu xung quanh đối với từng dự án thiết kế. Nếu không thực hiện bước phân tích trên, cụm phát điện sau khi hoàn thành có thể tạo ra các rung động và tiếng ồn kết cấu bên trong, dẫn đến chi phí khắc phục vấn đề rất cao và dự án sẽ bị trì hoãn.
Máy phát điện có công suất tối đa trong ứng dụng hàng hải và mô phỏng của máy điện xoay chiều.
Trong các ứng dụng phát điện, tăng hiệu suất là bước quan trọng nhất. Điều này chủ yếu liên quan đến việc áp dụng mô phỏng CFD để cải thiện luồng khí làm mát máy và kết hợp kết quả với mô phỏng điện từ để tối ưu hóa các bộ phận điện bằng cách giảm tổn hao.
Các kỹ sư của Marelli Motori đã thực hiện mô phỏng đa trường vật lý hàng ngày. Sau đó, các sửa đổi sau khi thực hiện mô phỏng số sẽ được đánh giá trong phòng thử nghiệm để chứng minh lợi ích về nhiệt độ và hiệu suất theo các tiêu chuẩn quốc tế.
Ví dụ về bộ trao đổi nhiệt được mô phỏng bằng ANSYS CFX
"Khi mô phỏng bộ trao đổi nhiệt trên máy điện xoay chiều kiểu kín, một kỹ sư có kinh nghiệm đã sử dụng ANSYS CFX để phân tích năm thiết kế khác nhau trong tám giờ; sau đó, kỹ sư này đã sử dụng ANSYS Discovery Live để thu được một thiết kế tối ưu trong hai giờ"
Sử dụng mô phỏng để lên ý tưởng
Marelli Motori là một trong những công ty đầu tiên áp dụng ANSYS Discovery Live (phát hành vào đầu năm 2018). Discovery Live là giải pháp mô phỏng đầu tiên cho phép các kỹ sư và nhà thiết kế thay đổi hình học và các thuộc tính khác trong khi đang chạy mô phỏng và xem kết quả của những thay đổi này ngay lập tức.
Với cam kết đáp ứng kịp thời các sản phẩm chất lượng cao, an toàn, có thể tùy chỉnh cho khách hàng, Marelli Motori nhận thấy rằng kết quả mô phỏng nhanh chóng sẽ giúp họ đáp ứng nhu cầu của khách hàng nhanh hơn. Khi mô phỏng bộ trao đổi nhiệt trên máy điện xoay chiều kiểu kín, một kỹ sư có kinh nghiệm đã sử dụng ANSYS CFX để phân tích năm thiết kế khác nhau trong tám giờ; sau đó, kỹ sư này đã sử dụng ANSYS Discovery Live để thu được một thiết kế tối ưu trong hai giờ.
Mô phỏng đa trường vật lý của ANSYS đã giúp các kỹ sư của Marelli Motori thiết kế các bộ phận tốt nhất cho động cơ điện và máy phát điện tùy chỉnh và có tính cạnh tranh hơn trên thị trường toàn cầu. Khách hàng của họ đánh giá cao việc tăng hiệu suất, giảm chi phí và tiết kiệm thời gian phát triển, cùng với độ tin cậy cao hơn khi có sự phối hợp giữa Marelli Motori và mô phỏng ANSYS.
Sử dụng ANSYS CFX để tối ưu hóa các kênh làm mát bên trong rotor
Mô phỏng rotor sử dụng ANSYS CFX
Bài viết liên quan:
Nguồn : ansys.com
Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc. " hoặc "Theo www.advantech.vn " nếu bạn muốn phổ biến thông tin này
- Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này