Cách mô hình hóa và mô phỏng động cơ điện phức tạp

Những thách thức mới trong mô phỏng động cơ điện

Trong nhiều năm, những thực hành tốt nhất để chuẩn bị mô hình 3D cho mô phỏng bao gồm việc trước tiên là nhập hình học 3D, sau đó định nghĩa phần đối xứng với chu vi nhỏ nhất. Trong trường hợp thiết kế trường xuyên tâm, trước tiên chúng ta sẽ tách thiết kế 3D đối xứng (lát cắt 3D) khỏi phần còn lại của hình học 3D bằng hai mặt cắt phẳng xuyên tâm, phần mà sau này sẽ được sử dụng để định nghĩa các điều kiện biên để gán tính đối xứng đó.

Đây vẫn là một cách tiếp cận hiện đại, được sử dụng chủ yếu trong mô phỏng công nghiệp để thu hẹp không gian thiết kế mô phỏng và giảm tổng thời gian tính toán theo yêu cầu của phân tích bước thời gian vốn đã rất đắt đỏ. Do việc giảm không gian này, người tạo lưới có thể triển khai các cấu trúc liên kết lưới đối xứng và cân đối hơn để giảm thiểu tác động của phương pháp số (phần tử hữu hạn) đến dự đoán tổng thể về hiệu suất động cơ, điều này là tốt.

Tuy nhiên, những thách thức mà các nhà thiết kế gặp phải khi hình học 3D trở nên phức tạp hơn vẫn chưa được giải quyết. Các thiết kế 3D với những cấu hình rôto và/hoặc stato xiên (xem bên dưới) và cấu trúc liên kết động cơ điện của chúng yêu cầu sự dung hòa giữa đối xứng hình học hợp lệ nhỏ nhất và các điều kiện điện từ bắt buộc. Mặc dù tính đối xứng được sử dụng để tính toán hiệu suất động cơ, song bất kỳ nhà thiết kế nào cũng muốn đưa giải pháp trường hiển thị trở lại toàn bộ hình học 3D.

Hình học 3D phức tạp của các thành phần động cơ

Các bài toán điện từ 3D trở nên phức tạp hơn trong các mô phỏng đa trường vật lý như tiếng ồn - độ rung – sự khắc nghiệt ( NVH

Noise, Vibration, and Harshness (NVH) - còn được gọi là tiếng ồn và độ rung, là nghiên cứu và sửa đổi các đặc điểm tiếng ồn và độ rung của các phương tiện, đặc biệt là ô tô và xe tải. Viết tắt là NVH hay N&V.

Noise là tiếng ồn hay âm thanh không mong muốn. Tiếng ồn âm thanh là năng lượng truyền vào không khí gây ra nhiễu âm thanh. Có thể sử dụng các công cụ như lập bản đồ cường độ âm thanh và tách tiếng ồn đốt cháy/ cơ học để xác định phương pháp giảm tiếng ồn tốt nhất.

Vibration là rung động gây ra tiếng ồn và sự xáo trộn. Rung động thường được quan tâm do các tác động vật lý có thể gây ra xáo trộn cho con người, gián đoạn hệ thống điện và sự cố hoặc sự cố trong hệ thống cơ khí. Máy lắc và bộ điều khiển là các kỹ thuật được sử dụng để kiểm tra các vấn đề rung động.

Harshness thường được sử dụng để mô tả mức độ nghiêm trọng và khó chịu liên quan đến cả rung động và tiếng ồn. Nó là một hệ thống định tính dựa trên các đặc tính mong muốn hơn là dựa trên các phép đo có thể định lượng được, là sự đánh giá chủ quan.

 

). Quản lý nhiệt đưa ra một loạt các vấn đề khác trong đó toàn bộ giải pháp thiết kế không gian 3D có thể được yêu cầu để đáp ứng các điều kiện vật lý cụ thể.

Cách các nhà thiết kế giải quyết các hình học 3D phức tạp ngày nay

Có một số hạn chế liên quan đến cách các nhà thiết kế thường tiếp cận các hình học 3D phức tạp. Ví dụ: việc nhập các hình học thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) cũng có thể dẫn đến các chi tiết không cần thiết cho mô phỏng điện từ, sau đó sẽ cần thời gian để loại bỏ.

Việc tạo hình học từ đầu sẽ đòi hỏi kỹ năng CAD cũng như thời gian và chi phí liên quan. Như đã đề cập trước đây, việc định nghĩa đối xứng theo chu vi (lát cắt 3D) bằng cách tạo ra các mặt cắt phẳng xuyên tâm không phải lúc nào cũng nắm bắt được sự đối xứng chính xác trong hình học, đặc biệt là khi động cơ hiển thị các cấu hình xiên.

Những mặt cắt phẳng phải làm sự phân tách của mô hình lát 3D khỏi phần còn lại của hình học, điều này gây khó khăn cho việc truyền dữ liệu điện từ (tổn thất hoặc lực) sang hình học 3D đầy đủ khi quản lý nhiệt hoặc các phân tích NVH

Noise, Vibration, and Harshness (NVH) - còn được gọi là tiếng ồn và độ rung, là nghiên cứu và sửa đổi các đặc điểm tiếng ồn và độ rung của các phương tiện, đặc biệt là ô tô và xe tải. Viết tắt là NVH hay N&V.

Noise là tiếng ồn hay âm thanh không mong muốn. Tiếng ồn âm thanh là năng lượng truyền vào không khí gây ra nhiễu âm thanh. Có thể sử dụng các công cụ như lập bản đồ cường độ âm thanh và tách tiếng ồn đốt cháy/ cơ học để xác định phương pháp giảm tiếng ồn tốt nhất.

Vibration là rung động gây ra tiếng ồn và sự xáo trộn. Rung động thường được quan tâm do các tác động vật lý có thể gây ra xáo trộn cho con người, gián đoạn hệ thống điện và sự cố hoặc sự cố trong hệ thống cơ khí. Máy lắc và bộ điều khiển là các kỹ thuật được sử dụng để kiểm tra các vấn đề rung động.

Harshness thường được sử dụng để mô tả mức độ nghiêm trọng và khó chịu liên quan đến cả rung động và tiếng ồn. Nó là một hệ thống định tính dựa trên các đặc tính mong muốn hơn là dựa trên các phép đo có thể định lượng được, là sự đánh giá chủ quan.

 

được yêu cầu như các thiết kế kết hợp đa trường vật lý.

Cuối cùng, việc gán các hoạt động lưới theo cách thủ công để đảm bảo độ chính xác của mô phỏng đòi hỏi kiến ​​thức về tác động của lưới đối với giải pháp FEA

Finite Element Analysis (FEA) - là mô phỏng một hiện tượng vật lý bằng cách sử dụng một kỹ thuật toán học thuộc về số được gọi là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite  Element Method). Quá trình này là cốt lõi của kỹ thuật cơ khí, cũng như nhiều ngành khác.

.

Tính toán trường trên một đối xứng chu vi bằng việc sử dụng các điều kiện biên không phẳng tự động

Nhắm đến những thách thức này, Ansys Maxwell đã giới thiệu một giải pháp tốt nhất trong phân khúc trong phiên bản 2021R1. Nó cho phép các kỹ sư nhập toàn bộ hình học động cơ 3D từ bất kỳ công cụ CAD nào.

Maxwell tạo một cách tự động mô hình dựa trên lát cắt theo chu vi 3D, áp dụng các đường cắt không phẳng làm điều kiện biên và lưới đối xứng và đều đặn tương ứng (lưới sao chép) trên tất cả các phần của hình học.

Cách tiếp cận này cho phép Maxwell giải quyết chỉ một phần nhỏ của không gian 3D ban đầu và hiển thị kết quả trường trở lại hình học 3D ban đầu. Hơn nữa, giải quyết vấn đề điện từ học trên các thiết kế không gian mới được thu nhỏ, Maxwell cho phép kết hợp với bộ giải nhiệt và bộ giải điều hòa kết cấu, nơi yêu cầu hình học 3D đầy đủ, được áp đặt bởi bản chất vật lý tự nhiên khác nhau.

Bí quyết cuối cùng của phương pháp này và mang lại lợi ích cho khách hàng là việc áp dụng các biên cắt không phẳng để gán tính đối xứng điện từ thích hợp trong không gian thiết kế đã được thu nhỏ. Điều này cung cấp cho bạn lưới đối xứng và chính xác nhất ngay cả khi các rôto và stato không đối xứng mà không làm tăng chi phí tính toán.

Không nghi ngờ gì nữa, phương pháp luận mới đang trở thành phương pháp tốt nhất mới để mô phỏng thiết kế động cơ của các hình học 3D phức tạp. Đây là một giải pháp mạnh cho phép các kỹ sư mới hoặc cấp cao làm việc trong một dự án một cách nhanh chóng và giải quyết các mô hình với tốc độ và độ chính xác được chứng nhận.

Mật độ từ thông và mật độ dòng điện được hiển thị trên mô hình đầy đủ theo phương chu vi.