Wymagania stawiane silnikom elektrycznym w pojazdach elektrycznych (EV) jak i trakcyjnych stale rosną. Wskazane jest zwiększenie ich efektywności przy maksymalnym wykorzystaniu dostarczanej energii elektrycznej. W jaki sposób poprawić właściwości mechaniczne, elektromagnetyczne i termiczne silnika? Jak podnieść sprawność i niezawodność urządzenia oraz przedłużyć czas użytkowania?
Rozwiązanie dla rosnących wymagań stawianych silnikom elektrycznym w pojazdach EV
Wdrożenie nowoczesnych metod prototypowania i symulacji zjawisk zachodzących w silnikach elektrycznych może znacznie przyspieszyć opracowywanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych w obecnym „boomie” elektromobilności w Polsce i na świecie.
Narzędziem wspierającym pracę inżynierów przy tworzeniu i analizowaniu nowoczesnych konstrukcji silników jest Ansys Motor-CAD. Oprogramowanie pozwala na wykorzystanie zdefiniowanych przez producenta gotowych szablonów silników: indukcyjnych, synchronicznych, reluktancyjnych, z magnesami trwałymi i innych. Poprzez modyfikację wymiarów i kształtu poszczególnych części silnika możliwa jest optymalizacja kluczowych parametrów takich jak: zwiększenie momentu obrotowego silnika, obniżenie temperatury pracy, odpowiednie ułożenie magnesów trwałych w wirniku oraz poprawa sprawności urządzenia.
Użytkownicy doceniają intuicyjny i przyjazny w obsłudze interfejs programu. Z poziomu jednej aplikacji (Motor-CAD) możliwe jest wykonywanie skomplikowanych analiz sprzężonych elektromagnetyczno-termiczno-mechanicznych, które w połączeniu z wirtualnym laboratorium (moduł Lab) stanowią unikalne narzędzie do przeprowadzania analiz wirtualnych prototypów. (Rys. 1.).
Rys. 1: Typy modeli obliczeniowych w ANSYS Motor-CAD: moduł Elektromagnetyczny, Termiczny, Mechaniczny oraz moduł Laboratoryjny
Jakie obliczenia umożliwia solwer E-Magnetic w wykonywanych analizach elektromagnetycznych silnika EV?
Model elektromagnetyczny E-Magnetic oprogramowania Ansys Motor-CAD wspomaga szybkie opracowanie modelu silnika poprzez podanie podstawowych wymiarów, własności i parametrów konstrukcji silnika elektrycznego.
Dodatkowo możliwe jest dokładne określenie ilości biegunów oraz sposób połączeń uzwojeń np. w stojanie silnika EV (Rys. 2.). Oprogramowanie również ułatwia definiowanie ilości zwojów danej cewki, ilości warstw uzwojenia oraz automatycznie wylicza współczynnik wypełnienia żłobków.
Przykładową konstrukcję modelu 3D silnika elektrycznego typu IPM (Interior Permanent Magnet) przedstawiono na Rys. 3. Jest to silnik, którego wirnik posiada odpowiednio wbudowane magnesy trwałe wytwarzające pole magnetyczne, zastępując stosowanie miedzianych uzwojeń w wirniku.
Rys. 2: Przykładowy sposób połączeń uzwojeń stojana dla silnika typu IPM w ANSYS Motor-CAD
Rys. 3: Podgląd wygenerowanego modelu 3D silnika typu IPM w ANSYS Motor-CAD
Warto dodać, iż własności materiałowe dla poszczególnych elementów konstrukcyjnych silnika elektrycznego w oprogramowaniu Motor-CAD przydzielane są automatycznie. Jeżeli jest to wymagane, istnieje możliwość zmiany przydzielonych własności materiałowych jak i dodanie całkiem nowego materiału do biblioteki programu np. dla magnesów trwałych.
Jedną z niezwykle istotnych analiz solwera E-Magnetic jest wyznaczenie rozkładu gęstości indukcji elektromagnetycznej w zależności od kąta położenia wirnika z magnesami trwałymi względem stojana. Umożliwia to sprawdzenie czy magnesy trwałe w wirniku zostały odpowiednio zaprojektowane pod kątem kształtu lub ich położenia. Dodatkowo, już na tym etapie, konstruktor ma sposobność sprawdzenia, zarówno w rdzeniu stojana jak i wirnika, czy nie występują miejsca, gdzie wartość indukcji elektromagnetycznej jest zbyt duża lub mała. W rzeczywistości byłoby bardzo trudno taki obraz uzyskać. Przykładowy wynik tego typu symulacji przedstawia Rys. 4:
Dodatkowo solwer E-Magnetic pozwala wyznaczyć istotne z punktu widzenia konstruktora parametry takie jak:
- moment znamionowy silnika,
- osiągana prędkość obrotowa,
- prąd pobierany przez silnik,
- wartość napięcia na zaciskach silnika, itp.
Rys. 4: Analiza rozkładu gęstości indukcji elektromagnetycznej w stojanie, wirniku i magnesach trwałych w ANSYS Motor-CAD
W oprogramowaniu mamy możliwość wyznaczenia momentu zaczepowego silnika elektrycznego. Moment ten powstaje w wyniku współdziałania pola magnetycznego wytworzonego przez magnesy trwałe umieszczone na wirniku, ze stojanem o przewodności magnetycznej zależnej od kąta obrotu wirnika. Jest to zjawisko niekorzystne w silnikach elektrycznych, gdzie już na etapie projektowania dąży się do zminimalizowania jego wartości. Można to osiągnąć poprzez modyfikację wymiarów, kształtów oraz odpowiednią polaryzację magnesów trwałych umieszczanych w wirniku.
Podczas wykonywania obliczeń solwer E-Magnetic dodatkowo podaje pełne dane dotyczące strat w prototypowanym urządzeniu m. in. są to straty w uzwojeniach, rdzeniu czy łożyskach. Wyniki uzyskane w tym solwerze pozwalają przejść do modułu termicznego oprogramowania Motor-CAD by dobrać i zoptymalizować odpowiedni sposób chłodzenia dla opracowywanego urządzenia.
W jaki sposób Moduł Therm pozwala opracować system chłodzenia dla silnika elektrycznego EV?
Wirtualne prototypowanie i analizy symulacyjne systemu chłodzenia silników elektrycznych w Ansys Motor-CAD (Rys. 5.) mogą być wykorzystane do optymalizacji konstrukcji pod kątem oddawania ciepła do otoczenia i poprzez zmniejszenie liczby wykonywanych prototypów obniżyć koszty testów laboratoryjnych.
Oprogramowanie ma wiele wbudowanych gotowych systemów chłodzenia dla różnych typów silników elektrycznych. Wykorzystanie odpowiedniego systemu chłodzenia pozwala na obniżenie temperatury wewnątrz urządzenia, co przekłada się na poprawę parametrów magnesów trwałych (wysoka temperatura wpływa niekorzystnie na ich właściwości) oraz zwiększenie niezawodności i trwałości całej maszyny.
W narzędziu Ansys można wygenerować rozkład temperatur w przekroju poprzecznym i wzdłużnym przez silnik po każdej modyfikacji systemu chłodzenia i wykonanych obliczeniach (Rys. 6.).
Rys. 5. Przykładowy system chłodzenia silnika elektrycznego typu IPM wymuszonym przepływem powietrza w Ansys Motor-CAD
Rys. 6. Rozkład temperatury w silniku elektrycznym typu IPM w ANSYS Motor-CAD
Rys. 7. Rozkład temperatury w żłobku silnika elektrycznego typu IPM w ANSYS Motor-CAD
Niezwykle istotne z punktu widzenia doboru odpowiedniego drutu nawojowego (średnicy, kształtu), ilości zwojów w cewkach czy też warstw uzwojeń w żłobku, jest możliwość podglądu oraz analizowania rozkładu generowanych temperatur. Moduł Term jest wyposażony w taką funkcjonalność. Korzystając z opcji „Solve Slot FEA” lub „Solve Pole FEA” w ciągu kilku sekund użytkownik ma możliwość podglądu danego slotu stojana bądź wirnika (Rys. 7.).
Rys. 8. Sieć termiczna wygenerowana dla silnika elektrycznego typu IPM w ANSYS Motor-CAD
Podczas optymalizacji konstrukcji silnika, pod względem odpowiedniego układu chłodzenia i wykonywania obliczeń w module termicznym, oprogramowanie automatycznie tworzy tzw. sieć termiczną dla całego urządzenia (Rys. 8.).
Umożliwia to wyznaczanie temperatur oraz wartości generowanych strat praktycznie w każdym analizowanym elemencie konstrukcji silnika EV.
Do czego służy Moduł Mech w Ansys Motor-CAD, jakie obliczenia umożliwia?
Moduł oparty jest na metodzie elementów skończonych 2D. Przeznaczony jest do wykonywania analiz naprężeń oraz przemieszczeń w wirniku podczas pracy silnika elektrycznego (Rys. 9.). Solwer realizuje obliczenia w ciągu kilku sekund. Dodatkowo daje opcję importu gotowych szablonów lub DXF’ów. Użytkownik może rozważyć kompromis pomiędzy osiągami magnetycznymi i mechanicznymi w procesie optymalizacji prototypu numerycznego.
Rys. 9. Naprężenia generowane w wirniku podczas pracy silnika elektrycznego typu IPM w ANSYS Motor-CAD
Moduł Lab w Ansys Motor-CAD – wirtualne laboratorium badawcze
Moduł Lab to zaawansowane środowisko, które daje narzędzia do analizowania cyklów pracy maszyny elektrycznej, tak jakby znajdowała się w realnych warunkach pracy. Konstruktor testuje maszyny w normalnych warunkach pracy, jak i w warunkach zwarcia silnika elektrycznego. Po wykonaniu niezbędnych obliczeń użytkownik ma możliwość wygenerowania mapy sprawności zaprojektowanego urządzenia (Rys. 10.).
Zaletą modułu jest wyposażenie w narzędzia do tworzenia różnych zależności, charakterystyk, danych tabelarycznych dotyczących osiąganych parametrów silnika elektrycznego. Dotyczy to dowolnego cyklu pracy oraz okresu po dokonanych zmianach w konstrukcji.
Moduł i cały proces optymalizacji umożliwia zaprojektowanie maszyny elektrycznej o minimalnym rozmiarze, nietypowym kształcie przy redukcji ilości materiałów do niezbędnego minimum. Procesy optymalizacyjne projektu ułatwiają uzyskanie maksymalnej wydajności, nawet przy najbardziej wymagającym cyklu pracy silnika. Oprogramowanie idealnie nadaje się do zastosowań takich jak: aplikacje trakcyjne czy EV, które mają bardzo złożone i zróżnicowane obciążenia cyklu pracy podczas ich eksploatacji.
Rys. 10. Mapa sprawności dla zaprojektowanego silnika elektrycznego typu IPM w ANSYS Motor-CAD
Podsumowanie
Wirtualne prototypowanie oraz wykonywanie symulacji sprzężonych dla silników elektrycznych w Ansys Motor-CAD mogą w znaczny sposób poprawić sprawność i parametry urządzeń. Dzięki wykorzystaniu symulacji konstruktor może np. zredukować moment zaczepowy silnika, zwiększyć osiągalny moment obrotowy lub gęstość prądu przepływającego przez uzwojenia. Odpowiednio dobrany system chłodzenia, wykonana optymalizacja i zwiększona efektywność urządzeń przekłada się na redukcję kosztów materiałowych oraz szybszy proces produkcyjny.
Jednakże z punktu widzenia producentów maszyn elektrycznych jaki i konstruktorów w działach R&D, najważniejszą zaletą jest znaczące przyspieszenie procesu projektowania i opracowania danej konstrukcji silnika elektrycznego do zastosowań EV.
Autor artykułu
Mgr inż. Michał Szulborski, Application Engineer w Symkom – Ansys Motor-CAD / Ansys Maxwell. Jako doświadczony konstruktor aparatów elektrycznych specjalizuje się w zagadnieniach związanych z elektromagnetyzmem oraz niskimi częstotliwościami. Doktorant Wydziału Elektrycznego Politechniki Warszawskiej – jego obszar zainteresowań związanych z doktoratem to: konstruowanie aparatów i urządzeń elektrycznych, analizowanie sił elektrodynamicznych oraz zjawisk termicznych w torach prądowych i zestykach aparatów elektrycznych z wykorzystaniem analiz sprzężonych w środowisku Ansys.