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借助ANSYS技术实现产品体积更小的设计

2017/11/17        作者:Brandon Grainger  Oreste Scioscia  Gregory Reed      
关键字:ANSYS  
匹兹堡大学和卡内基梅隆大学联合先进能源研究计划署以及其他相关单位共同开发面向电源应用的新型高频磁性纳米复合材料,并通过ANSYS仿真验证材料性能。

    无论采用何种现代化技术,成功的关键是让产品体积更小、速度更快、更简单、更加经济高效。工程师需要在兼顾这些设计目标的同时,找到能够将可再生能源(主要是风能和太阳能)集成到现有电网中的方法。匹兹堡大学(Pitt)和卡内基梅隆大学(CMU)的工程师将已获得专利的纳米复合材料(HTX-012B)与现代电力变压器所用的铁氧体相匹敌。

    隶属于美国能源部(DOE)的先进能源研究计划署(ARPA-E)就是要推进这些高潜力高影响力能源技术的发展,其对于私有领域的投资还为时尚早。该机构成立的主要目的是资助能源研究和技术开发,以突破科技障碍并加快技术的上市进程。ARPA-E 资金获得者的任务是开发可解决现有能源挑战的全新方案和方法。ARPA-E 专注于具有变革性的能源项目,为其提供资金和技术支持,并协助完成产品上市的准备工作。

    Spang & Company 公司磁学部和洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)联合ARPA-E 共同推进电力电子行业的转型。Spang 公司专门从事研究、设计和生产各种磁粉芯、铁氧体磁芯和绕带磁芯,主要应用于变压器、电感和电源组件等设备。Spang 正在开发面向HTX-012B 磁芯材料的新型制造技术。LANL 是一家联邦政府资助的研发中心,依照美国能源部及其它能源管理部门制定的优先原则来制定自身的战略规划。LANL 使用基于HTX-012B 的变压器铁芯来开发新一代电力电子系统,该系统可将直流太阳能转换为现成的电能,用于配送到最终用户。

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ARPA-E 2010年确定的电力电子技术改进领域和优先顺序

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变压器图解

    电力电子系统设计属于多物理学应用,ANSYS 软件在其中扮演着重要角色。匹兹堡大学的工程师使用ANSYSPExprt 和ANSYS RMxprt 对卡内基梅隆大学在ARPA-E 计划中所开发的材料及电机和变压器等设备中所用的铁氧体进行性能上的比较。

    PExprt是一款变压器和电感设计、建模和分析工具。PExprt 将传统的分析技术与有限元分析技术相结合,可针对给定的电源转换器拓扑结构确定铁芯的尺寸与形状、气隙和绕组方式。RMxprt是一款基于模板的设计工具,可用于计算电机性能,以确定电机原始尺寸并执行数以百计的“假设”分析。然后,RMxprt 可自动设置ANSYS Maxwell 项目(2-D/3-D),包括几何结构、材料、边界条件(外加适当的对称性),以及励磁与耦合电路拓扑结构,以实现精确的电磁瞬态分析。

    减少材料使用

    使用可在高开关频率下工作的高级磁性材料能显著减少对组件材料的使用。HTX-012B 是一种新型纳米复合磁性材料,特别适合在高温(200℃以上)和高开关频率下工作,能根据所需应用调节磁导率,且适用于大功率的应用场合(kW 至MW 级磁芯设计)。如果将材料体积降至最低,便可减小磁性组件重量,显著提高功率密度。此外,安装设备时也可以不用再受空间的限制了。例如,电动船设计能受益于所有这些优势。

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    该框图用于为变压器体积优化提供分析结果

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    以下给出了排名前十位的铁氧体铁芯解决方案中最优的制造商铁芯体积解决方案

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    针对铁氧体铁芯的ANSYS PExprt解决方案,可使用HTX-012B铁芯加以改进

责任编辑:张纯子
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