Ansys Maxwell/siwave 電機仿真咨詢與專業(yè)定制開發(fā)

2018-05-21 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

電機是一個集電氣、機械、動力學、散熱、電子電路、控制系統(tǒng)等眾多學科綜合于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。在實際研制過程中,需要考慮多方面的工程問題和物理問題,數(shù)字化仿真分析技術(shù)為電機的研制提供了非常高效的手段。面向電機領(lǐng)域仿真需求,客戶化定制開發(fā)技術(shù)將助力用戶實現(xiàn)專業(yè)化的快速仿真分析,并且更精確更全面的分析電機的性能。本期,為大家分享安世中德在電機領(lǐng)域的定制化技術(shù)和仿真咨詢案例。

1、電機領(lǐng)域服務(wù)方向

安世中德基于ANSYS系列工具,提供從電機電磁性能分析到結(jié)構(gòu)力學分析到電機散熱性能分析的整體仿真分析服務(wù)能力,在長期的咨詢服務(wù)中積累了豐富的經(jīng)驗。

面向工業(yè)品領(lǐng)域:永磁同步電機、異步電機、步進控制電機、牽引3電機、主推力電機等。

咨詢技術(shù)專題:電磁性能、轉(zhuǎn)子動力學、振動降噪、疲勞耐久性、通風散熱、多物理場耦合、可靠性、設(shè)計優(yōu)化。

安世中德電磁仿真咨詢的優(yōu)勢體現(xiàn)在:

整機系統(tǒng)的三維性能分析。
全面的計算領(lǐng)域。各方面的性能計算,包括電磁設(shè)計、通風計算、熱計算、機械計算、噪聲計算。
耦合場的分析應(yīng)用?？紤]多場之間的相互影響、相互耦合,成熟的多場載荷傳遞和場的耦合分析技術(shù)
仿真流程模板化開發(fā)。通過標準的仿真體系、仿真分析流程和仿真分析要點,進行電機仿真分析的封裝和模塊開發(fā),以能快速幫助用戶進行電機的分析、研究和設(shè)計開發(fā)。
電機參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計。
電機性能的穩(wěn)健性和可靠性設(shè)計?？紤]進行電機設(shè)計性能的穩(wěn)健性和可靠性評估,以提高電機產(chǎn)品的魯棒性和可靠性。

2、電機領(lǐng)域典型咨詢項目與專業(yè)系統(tǒng)列表

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3、專業(yè)系統(tǒng)——電機仿真計算模板系統(tǒng)

安世中德在長期面向電機領(lǐng)域提供咨詢服務(wù)的過程中,通過實驗與仿真的多次對比,積累了豐富的建模、參數(shù)選取和模型校正經(jīng)驗,使得計算結(jié)果可以與實驗得到較好的吻合。在此基礎(chǔ)上梳理了分析的方法和流程,通過二次開發(fā)進行了封裝和固化,建立了電機/多物理場仿真分析的完整規(guī)范和標準流程,形成了專用仿真系統(tǒng)。

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電機仿真模板系統(tǒng)

4、專業(yè)系統(tǒng)——變壓器電磁振動噪聲模擬計算系統(tǒng)

變壓器振動噪聲很大一部分是由于鐵芯材料在交變電磁力作用下的變形引起的。變壓器仿真計算軟件系統(tǒng)是集成變壓器模態(tài)計算、電磁場計算、電磁力振動計算、磁致伸縮振動計算和噪聲計算的仿真計算平臺。通過該仿真計算平臺,將變壓器電磁振動的整個分析流程及復(fù)雜的計算代碼進行封裝,把設(shè)計過程中的各影響因素參數(shù)化,對仿真數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理,形成了標準化的變壓器電磁振動噪聲分析的解決方案,實現(xiàn)專業(yè)化的快速仿真分析。

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變壓器電磁振動噪聲模擬計算系統(tǒng)

5、電機電磁性能分析

電機電磁分析是電機設(shè)計的根本,電磁設(shè)計論證不充分,會引起電機后續(xù)設(shè)計中的一系列問題,如損耗、效率、溫升、散熱、振動、噪聲、控制等。傳統(tǒng)的設(shè)計流程中采用的是磁路法,能快速得到電機的很多性能,但是分析精度不夠高,無法考慮的很多電機的結(jié)構(gòu)細節(jié)問題,例如結(jié)構(gòu)導(dǎo)角,孔對性能的影響,導(dǎo)體渦流效應(yīng),鐵心飽和效應(yīng),以及齒槽效應(yīng)等。目前電機的絕大部份電磁問題可以通過2D和3D的電磁場有限元分析來解決,極大的彌補了磁路法的不足,能夠更精確更全面的分析電機性能。計算內(nèi)容主要包括:

電機在啟/停過程中的電磁特性
電機的電場、磁場強度、磁通密度、磁通分布
電磁力和電磁力矩、矩角特性
空氣隙、齒部、軛部磁壓降計算、氣隙磁密計算、氣隙磁密分布曲線、極弧系數(shù)
漏磁系數(shù)
斜槽效應(yīng)
磁動勢(EMF)與反電動勢
考慮集膚效應(yīng),計算渦流
繞組電阻,繞組電抗,主電抗,漏電抗計算
電感矩陣參數(shù)(自感、互感)
電路計算、場路耦合問題
鐵芯和線圈的損耗、功率
焦耳熱

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電機3D瞬態(tài)磁場分析——分析模型、瞬態(tài)磁感應(yīng)強度分布

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某電機焦耳熱生成分析

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電機多切片場路耦合分析(2D電磁場分析考慮斜槽效應(yīng))

6、電機結(jié)構(gòu)靜強度分析

電機結(jié)構(gòu)設(shè)計和機械計算是電機設(shè)計的一個重要組成部分,它主要在電磁設(shè)計完成后進行。電機主要結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計都需要校核剛度,強度(包含靜強度和疲勞強度)以及振動模態(tài)特性。在電機結(jié)構(gòu)強度分析中主要考慮的問題包括:

鐵芯、繞組和螺栓連接等效處理
電機工作狀態(tài)下的剛強度(轉(zhuǎn)子離心力、電磁力、熱變形等)
轉(zhuǎn)子超速和飛逸工況下的剛強度
過盈裝配
零部件焊縫、轉(zhuǎn)子疲勞強度

通過對電機的結(jié)構(gòu)分析,以期能解決電機系統(tǒng)設(shè)計中存在的強度、剛度、模態(tài)、振動、疲勞、斷裂和工藝裝配等問題,而電機結(jié)構(gòu)靜強度分析則是重要的基礎(chǔ)分析。

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硅鋼片、鐵芯與繞組的力學等效建模

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定子整體變形(電磁力、溫升),定子應(yīng)力分布(電磁力、溫升),轉(zhuǎn)子徑向變形(溫升、離心力)

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子轉(zhuǎn)軸過盈裝配應(yīng)力分析、機座強度分析與FKM規(guī)范校核、座橡膠懸掛剛度計算與試驗校核

7、電機振動與噪聲分析

電機作為重要的動力源,運行時會受到電磁力、轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)、環(huán)境動態(tài)載荷等激勵,進而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動,良好的結(jié)構(gòu)動力學特性是電機長期穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。定子的固有頻率、轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速是否能夠避開轉(zhuǎn)動頻率、工作頻率、激勵頻率,從而避免發(fā)生共振;對某些動態(tài)激勵,還需要評估電機產(chǎn)生的振動是否滿足設(shè)計和規(guī)范要求,保證系統(tǒng)振動不超標,不產(chǎn)生有害的振動。所以必須要通過精確的仿真分析,來降低電機的振動和噪聲。

電機結(jié)構(gòu)固有頻率和模態(tài)分析:復(fù)雜的電機整機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行合理地等效,使計算模型能夠代表真實電機系統(tǒng)的質(zhì)量和剛度分布,從而得到準確有效的電機結(jié)構(gòu)固有頻率及對應(yīng)振型。

電機轉(zhuǎn)子動力學分析:研究轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動、平衡和穩(wěn)定性問題,尤其是研究接近或超過臨界轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的橫向振動問題,有助于得到電機轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、通過臨界轉(zhuǎn)速的狀態(tài)、動力響應(yīng)、動平衡和轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性特性。

電機機械振動噪聲:包含轉(zhuǎn)子的不平衡振動、軸承的撞擊和激振振動、電刷滑動音等。

電機電磁振動噪聲問題:定轉(zhuǎn)子氣隙產(chǎn)生的磁通,加轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的基本(主)磁通,存在的高次諧波磁通促使定子與轉(zhuǎn)子鐵心互相吸引的電磁力波作用,定子鐵心、轉(zhuǎn)軸彎曲移位產(chǎn)生振動,進而產(chǎn)生噪聲。

電機硅鋼片磁致伸縮振動:磁致伸縮是指電機硅鋼片鐵芯在交變磁場的作用下,發(fā)生微小的尺寸變化的現(xiàn)象,磁致伸縮使鐵心隨勵磁頻率的變化做周期性振動,噪聲隨之而來。

電機通風噪聲:主要由風扇和電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生,包括風扇旋轉(zhuǎn)壓力噪聲和渦流噪聲以及風扇與通風路內(nèi)空氣流動其它部份的干涉而產(chǎn)生的噪聲。

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模態(tài)分析與試驗對比

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電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子動力學計算(振型、Campbell圖、渦動軌跡)

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電機電磁振動噪聲分析(電磁振動諧響應(yīng)分析、速度導(dǎo)入聲場、噪聲聲壓級)

8、電機結(jié)構(gòu)疲勞分析

對于承受交變載荷的結(jié)構(gòu),疲勞強度是其重要的性能指標。電機在運行中會受到電磁力、轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)、環(huán)境動態(tài)載荷等激勵,在長期交變載荷作用下,轉(zhuǎn)軸幾何突變處、焊縫等地方容易萌生疲勞裂紋,對電機運行安全產(chǎn)生威脅。通過有限元分析得到關(guān)注部位的受力或應(yīng)力狀況,結(jié)合標準規(guī)范以及疲勞理論,即可在設(shè)計階段對結(jié)構(gòu)疲勞壽命進行定性分析,并據(jù)此調(diào)整結(jié)構(gòu),優(yōu)化性能,提高經(jīng)濟性。電機結(jié)構(gòu)疲勞主要有:

電機轉(zhuǎn)子疲勞分析
電機焊縫疲勞分析
電機隨機振動疲勞分析

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電機轉(zhuǎn)軸疲勞分析

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電機基座隨機振動與結(jié)構(gòu)應(yīng)力法焊縫疲勞分析

9、電機通風散熱分析

近代電機大部采用較高的電磁負荷以提高材料的利用率,電機的單機容量也日益增大,電機通風散熱能力是可靠性和壽命的重要保障。在電機的通風冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中,需要詳細考察總風量、風量分配以及通風損耗和效率等指標和條件,并盡可能的保證風路簡單,系統(tǒng)中的寄生渦流及風摩損耗較低,加工制造容易,氣動噪聲較低。

應(yīng)用CFD技術(shù)進行通風散熱分析,可以預(yù)測電機內(nèi)部的發(fā)熱情況和流體對系統(tǒng)的冷卻情況,準確模擬電機各部位的溫度分布,特別是關(guān)注的齒槽內(nèi)繞組,端部繞組等關(guān)鍵位置影響評估絕緣等級處的溫度,從而對冷卻系統(tǒng),如通風系統(tǒng)、風扇、水路,冷卻器的冷卻效率進行改進,使得電機內(nèi)部的溫度控制在一定的范圍內(nèi)。