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2018-05-21 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
電機是一個集電氣、機械、動力學、散熱、電子電路、控制系統等眾多學科綜合于一體的復雜系統。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,數字化仿真分析技術為電機的研制提供了非常高效的手段。面向電機領域仿真需求,客戶化定制開發技術將助力用戶實現專業化的快速仿真分析,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域的定制化技術和仿真咨詢案例。
1、電機領域服務方向
安世中德基于ANSYS系列工具,提供從電機電磁性能分析到結構力學分析到電機散熱性能分析的整體仿真分析服務能力,在長期的咨詢服務中積累了豐富的經驗。
面向工業品領域: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。
咨詢技術專題:電磁性能、轉子動力學、振動降噪、疲勞耐久性、通風散熱、多物理場耦合、可靠性、設計優化。
安世中德電磁仿真咨詢的優勢體現在:
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整機系統的三維性能分析。
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全面的計算領域。各方面的性能計算,包括電磁設計、通風計算、熱計算、機械計算、噪聲計算。
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耦合場的分析應用。考慮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
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仿真流程模板化開發。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,以能快速幫助用戶進行電機的分析、研究和設計開發。
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電機參數化優化設計。
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電機性能的穩健性和可靠性設計。考慮進行電機設計性能的穩健性和可靠性評估,以提高電機產品的魯棒性和可靠性。
2、電機領域典型咨詢項目與專業系統列表
3、專業系統——電機仿真計算模板系統
安世中德在長期面向電機領域提供咨詢服務的過程中,通過實驗與仿真的多次對比,積累了豐富的建模、參數選取和模型校正經驗,使得計算結果可以與實驗得到較好的吻合。在此基礎上梳理了分析的方法和流程,通過二次開發進行了封裝和固化,建立了電機/多物理場仿真分析的完整規范和標準流程,形成了專用仿真系統。
電機仿真模板系統
4、專業系統——變壓器電磁振動噪聲模擬計算系統
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是集成變壓器模態計算、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雜的計算代碼進行封裝,把設計過程中的各影響因素參數化,對仿真數據進行統一管理,形成了標準化的變壓器電磁振動噪聲分析的解決方案,實現專業化的快速仿真分析。
變壓器電磁振動噪聲模擬計算系統
5、電機電磁性能分析
電機電磁分析是電機設計的根本,電磁設計論證不充分,會引起電機后續設計中的一系列問題,如損耗、效率、溫升、散熱、振動、噪聲、控制等。傳統的設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構細節問題,例如結構導角,孔對性能的影響,導體渦流效應,鐵心飽和效應,以及齒槽效應等。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。計算內容主要包括:
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電機在啟/停過程中的電磁特性
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電機的電場、磁場強度、磁通密度、磁通分布
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電磁力和電磁力矩、矩角特性
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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
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漏磁系數
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斜槽效應
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磁動勢(EMF)與反電動勢
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考慮集膚效應,計算渦流
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繞組電阻,繞組電抗,主電抗,漏電抗計算
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電感矩陣參數(自感、互感)
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電路計算、場路耦合問題
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鐵芯和線圈的損耗、功率
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焦耳熱
電機3D瞬態磁場分析——分析模型、瞬態磁感應強度分布
某電機焦耳熱生成分析
電機多切片場路耦合分析(2D電磁場分析考慮斜槽效應)
6、電機結構靜強度分析
電機結構設計和機械計算是電機設計的一個重要組成部分,它主要在電磁設計完成后進行。電機主要結構部件的設計都需要校核剛度,強度(包含靜強度和疲勞強度)以及振動模態特性。在電機結構強度分析中主要考慮的問題包括:
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鐵芯、繞組和螺栓連接等效處理
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電機工作狀態下的剛強度(轉子離心力、電磁力、熱變形等)
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轉子超速和飛逸工況下的剛強度
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過盈裝配
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零部件焊縫、轉子疲勞強度
通過對電機的結構分析,以期能解決電機系統設計中存在的強度、剛度、模態、振動、疲勞、斷裂和工藝裝配等問題,而電機結構靜強度分析則是重要的基礎分析。
硅鋼片、鐵芯與繞組的力學等效建模
定子整體變形(電磁力、溫升),定子應力分布(電磁力、溫升),轉子徑向變形(溫升、離心力)
子轉軸過盈裝配應力分析、機座強度分析與FKM規范校核、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、轉子不平衡響應、環境動態載荷等激勵,進而產生結構振動,良好的結構動力學特性是電機長期穩定運行的基礎。定子的固有頻率、轉子的臨界轉速是否能夠避開轉動頻率、工作頻率、激勵頻率,從而避免發生共振;對某些動態激勵,還需要評估電機產生的振動是否滿足設計和規范要求,保證系統振動不超標,不產生有害的振動。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。
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電機結構固有頻率和模態分析:復雜的電機整機結構系統進行合理地等效,使計算模型能夠代表真實電機系統的質量和剛度分布,從而得到準確有效的電機結構固有頻率及對應振型。
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電機轉子動力學分析:研究轉子-支承系統在旋轉狀態下的振動、平衡和穩定性問題,尤其是研究接近或超過臨界轉速運轉狀態下轉子的橫向振動問題,有助于得到電機轉子的臨界轉速、通過臨界轉速的狀態、動力響應、動平衡和轉子的穩定性特性。
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電機機械振動噪聲:包含轉子的不平衡振動、軸承的撞擊和激振振動、電刷滑動音等。
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電機電磁振動噪聲問題:定轉子氣隙產生的磁通,加轉矩產生的基本(主)磁通,存在的高次諧波磁通促使定子與轉子鐵心互相吸引的電磁力波作用,定子鐵心、轉軸彎曲移位產生振動,進而產生噪聲。
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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,發生微小的尺寸變化的現象,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。
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電機通風噪聲:主要由風扇和電機轉子旋轉時產生,包括風扇旋轉壓力噪聲和渦流噪聲以及風扇與通風路內空氣流動其它部份的干涉而產生的噪聲。
模態分析與試驗對比
電機轉軸轉子動力學計算(振型、Campbell圖、渦動軌跡)
電機電磁振動噪聲分析(電磁振動諧響應分析、速度導入聲場、噪聲聲壓級)
8、電機結構疲勞分析
對于承受交變載荷的結構,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、轉子不平衡響應、環境動態載荷等激勵,在長期交變載荷作用下,轉軸幾何突變處、焊縫等地方容易萌生疲勞裂紋,對電機運行安全產生威脅。通過有限元分析得到關注部位的受力或應力狀況,結合標準規范以及疲勞理論,即可在設計階段對結構疲勞壽命進行定性分析,并據此調整結構,優化性能,提高經濟性。電機結構疲勞主要有:
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電機轉子疲勞分析
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電機焊縫疲勞分析
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電機隨機振動疲勞分析
電機轉軸疲勞分析
電機基座隨機振動與結構應力法焊縫疲勞分析
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的設計中,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。
應用CFD技術進行通風散熱分析,可以預測電機內部的發熱情況和流體對系統的冷卻情況,準確模擬電機各部位的溫度分布,特別是關注的齒槽內繞組,端部繞組等關鍵位置影響評估絕緣等級處的溫度,從而對冷卻系統,如通風系統、風扇、水路,冷卻器的冷卻效率進行改進,使得電機內部的溫度控制在一定的范圍內。
某無刷電機強制風扇冷卻系統分析(電機模型、流速分布、端蓋處溫度分布)
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