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基于多物理场的稳健电机设计

2015/11/16    来源:ANSYS    作者:Cassiano A. Cezario Briam C. Bork Marcelo Verardi      
关键字:多物理场  电机设计  仿真  CFD  
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。

    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。

 图1 电机设计方法

图1 电机设计方法

 图2 响应面图能够显示随多个设计变量变化的风扇气流效率

图2 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。

 图3 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

图3 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

责任编辑:吴星星
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