Simulation in Manatee
Schnelle und genaue Simulationsmodelle für multiphysikalische Workflows
Simulation von elektrischen Maschinen in Manatee
Die Manatee Software bietet eine Reihe von Werkzeugen für schnelle und genaue e-NVH-Berechnungen. Sie finden hier schnelle Schaltkreismodelle, mit denen sich im Handumdrehen spannungsbasierte Simulationen erstellen lassen. Außerdem gibt es hybride Magnetmodelle, um bereits in frühen Konstruktionsphasen Bewertungen vornehmen zu können. Die Software lässt sich in FEA-Tools integrieren, was detaillierte Magnet- und Strukturanalysen ermöglicht, die Balkenelemente und 3D-FEA-Modelle unterstützen. Diese Modelle helfen Ingenieuren dabei, Schwingungen und Geräuschpegel zu bewerten, Konstruktionen zu optimieren und Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen (wie Exzentrizitäten oder eine ungleichmäßige Magnetisierung). Die Entwicklungsumgebung erleichtert die Zusammenarbeit zwischen Elektro-, Mechanik- und NVH-Ingenieuren. Damit werden effiziente und robuste e-NVH-Simulationen in der Konzeptphase und der vorläufigen Konstruktionsphase möglich.
Schnelle und genaue e-NVH-Berechnungen
- Schnelle Modelle für elektrische Schaltkreise
- Schnelle Magnetmodelle
- Finite-Elemente-Magnetmodelle
- Balkenelementmodell
- Finite-Elemente-Strukturmodelle
- Schnelle, semianalytische Akustikmodelle
Schnelle Modelle für elektrische Schaltkreise
Die Manatee e-NVH-Software umfasst schnelle Modelle für elektrische Schaltkreise, mit denen Sie spannungsbasierte elektromagnetische Simulationen durchführen können. Anhand dieser Modelle lässt sich der Strompegel von Spannungseingängen schnell abschätzen, ohne transiente Simulationen durchführen zu müssen. Die Modelle basieren auf harmonischen äquivalenten elektrischen Schaltkreisen (EEC) im stationären Zustand und beschreiben die Spannungs-/Stromübertragung mit äquivalenten Widerständen und Induktivitäten.
Mit
schnellen EEC-Modellen können Elektroingenieure die Spannungsregelung direkt eingeben. Besonders nützlich sind diese Modelle für Induktionsmaschinen (Eingabe von Schlupf- und Phasenspannung als Funktion des Betriebspunkts) sowie für die Simulation von PWM-Spannungsumrichtern.
Schnelle Magnetmodelle
Die e-NVH-Software Manatee enthält nicht nur proprietäre Algorithmen zur Beschleunigung standardmäßiger magnetischer FEA-Simulationen; Sie haben hier auch Zugriff auf schnelle elektromagnetische Hybridmodelle, die in frühen Konstruktionsphasen von Elektromaschinen nützlich sind. Diese Hybrid-Magnetmodelle, die die Flussverteilung im Luftspalt vorhersagen, basieren auf einer Kombination von magnetischem Leitwert und magnetomotorischen Modellen, auf FEA-Berechnungen oder auf magnetischen Reluktanzmodellen (um z. B. Sättigungseffekte besser abschätzen zu können). Sie können in strom- oder spannungsbasierten Simulationsworkflows verwendet werden, um die wichtigsten Interaktionen zwischen Magnetkräften und Strukturmodi zu erfassen. Damit ergänzen sie FEA-Magnetmodelle in Zwischen- oder Detailkonstruktionsphasen.
Mit diesen schnellen magnetischen Modellen können Elektroingenieure von E-Maschinen bereits in der Konzeptionsphase verschiedene Topologien ermitteln (und dabei z. B. IPMSM mit SCIM oder verschiedenen Kombinationen aus Nuten/Polen vergleichen). Modellparameter (wie die Anzahl der Oberschwingungen und die Diskretisierung) werden automatisch von Manatee definiert, weshalb diese schnellen Modelle auch einfach von Mechanik- und Akustikingenieuren ausgeführt werden können. Sie können damit Was-wäre-wenn-Szenarien durchspielen und einen qualitativen Eindruck davon gewinnen, wie sich Konstruktionsvariablen auf Magnetkräfte, Schwingungen und Geräusche auswirken.
Finite-Elemente-Magnetmodelle
Neben der Möglichkeit, den Luftspaltfluss zu importieren, ist Manatee mit dem OPERA-Solver gekoppelt. Durch automatisierte Gleitbänder, Symmetrien und Parallelisierung wird die Berechnungszeit dieser nicht-linearen magnetostatischen FEA erheblich verkürzt. Alle Magnetmodelle verfügen über proprietäre Algorithmen zur Beschleunigung magnetischer FEA-Simulationen, basierend auf Magnetik-Lookup-Tabellen (MLUT) in Kombination mit Verfahren zur Extrapolation/Interpolation. FEA-basierte MLUT können in strom- oder spannungsbasierten Simulationsworkflows verwendet werden, um Interaktionen zwischen Magnetkräften und Strukturmodi genau zu erfassen. Sie ergänzen schnelle Magnetmodelle, die in der frühen Konstruktionsphase zum Einsatz kommen.
Diese genauen magnetischen Modelle können von Ingenieuren in Elektrotechnik oder elektromagnetischer Konstruktion eingesetzt werden, um die Geometrie magnetischer Schaltkreise der elektrischen Maschine zu iterieren. Nachdem die Magnetkräfte an verschiedenen Betriebspunkten innerhalb einer Magnetik-Lookup-Tabelle (MLUT) charakterisiert wurden, kann diese Tabelle von Maschinenbau- oder NVH-Ingenieuren für e-NVH-Berechnungen mit variabler Geschwindigkeit herangezogen werden. Bei der Iteration der Strukturkonstruktion lässt sich die MLUT dann wiederverwenden, um im Maschinenbau magnetische Geräusche und Schwingungen zu optimieren.
Balkenelementmodell
Die Manatee e-NVH-Software bietet ein schnelles strukturmechanisches Modell zur Bewertung von Schwingungen unter elektromagnetischer Anregung. Dabei wird das Balkenelementmodell im Statorjoch-/Statorzahnsystem verwendet. Dieses Modell ist besonders nützlich, um strukturelle Resonanzen in Konzeptentwürfen elektrischer Antriebe zu vermeiden und Statorschwingungen/Geräuschpegel schnell bewerten zu können. Es wird bevorzugt für Maschinen mit Innenrotor verwendet, da es die Biegung der Statorzähne und die Auswirkungen von radialen und umlaufenden Kräften berücksichtigt. Elektro- und Maschinenbauingenieure können dieses Modell verwenden, um den magnetischen Schaltkreis zu optimieren und Eigenfrequenzen abzuschätzen. In der Detailkonstruktionsphase lassen sich Berechnungen verfeinern, indem Sie die Funktion zum Import modaler 3D-Basen in Manatee verwenden.
Finite-Elemente-Strukturmodelle
Die kollaborative e-NVH-Umgebung von Manatee ermöglicht detaillierte Berechnungen für das mechanische FEA-3D-Modell eines Elektroantriebs, einschließlich Komponenten wie Rotoren, Statoren, Gehäusen, Getrieben, Fahrwerken und Lagern. Im Vergleich zu schnellen Analyse- oder Balkenelementmodellen bietet diese detaillierte Modellierung realistischere Modi, was entscheidend ist, um Toleranzen und Fehler in e-NVH-Berechnungen zu berücksichtigen.
Manatee ermöglicht den Import einer modalen Basis aus 3D FEA-Software von Drittanbietern (wie SIMULIA Abaqus). Dann können Sie eine Vorverarbeitung durchführen, um die e-NVH-Berechnungszeit zu reduzieren. Die importierte modale Basis kann in Simulationen mit variabler Geschwindigkeit oder beim Parameter-Sweeping wiederverwendet werden, solange die Bearbeitung des magnetischen Schaltkreises sie nicht verändert.
Das 3D FEA-Modell kann Sensoren enthalten, mit denen Schwingungspegel in bestimmten Bereichen extrahiert werden, um sie mit Beschleunigungsmessungen zu vergleichen. Alternativ lassen sich damit Knotenschwingungen in X-, Y- und Z-Richtung im Vergleich zu NVH-Anforderungen beurteilen. Maschinenbauingenieure können die modale FEA-3D-Basis importieren. Dann können Elektroingenieure damit elektromagnetische Modelle iterieren und NVH-Ingenieure können Anforderungen an variable Geschwindigkeiten überprüfen.
Schnelle, semianalytische Akustikmodelle
Die Manatee e-NVH-Software umfasst schnelle, semianalytische Modelle der akustischen Abstrahlung elektrischer Maschinen, die in verschiedenen Konstruktionsphasen hilfreich sind.
In der frühen Konstruktionsphase, wenn noch kein detailliertes CAD-Modell verfügbar ist, werden einige semianalytische Strahlungsfaktormodelle der externen Struktur (Stator oder Rotor) vorgeschlagen, basierend auf äquivalenten Zylinderschalenmodellen. In der Detailkonstruktionsphase wird in Manatee ein komplexes 3D FEA-Modell verwendet. Hier kommt das analytische ERP-Modell (Equivalent Radiated Power) als schnelle Methode zur Bewertung des Schallleistungspegels zum Einsatz.
Elektroingenieure können die äquivalenten zylindrischen Schalenmodelle in der frühen Konstruktionsphase verwenden, um den Schallleistungspegel abzuschätzen, der durch die hauptsächlichen Biegungsmodi in der Ebene der Schichten-Wicklungsbaugruppe entsteht (oder durch die Magnetstahlbaugruppe bei externen Rotoren). Maschinenbau- und Akustikingenieure können das Modell für die äquivalente abgestrahlte Leistung verwenden, um den Schallpegel aufgrund der magnetischen Anregung abzuschätzen.
Robuste Konstruktion unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen
- Statische und dynamische Exzentrizitäten
- Ungleichmäßiger Luftspalt
- Ungleichmäßige Magnetisierung
Statische und dynamische 3D-Exzentrizitäten
Die Manatee Software bewertet die Auswirkungen statischer und dynamischer 3D-Exzentrizitäten auf elektromagnetische Geräuschpegel und Schwingungen aufgrund mechanischer Toleranzen. Sie ermöglicht Ihnen, Exzentrizitätsebenen und Positionen an den Antriebsenden sowie an den gegenüberliegenden Enden anzugeben.
Zur schnellen Analyse nutzt Manatee ein Störverfahren, um Magnetkräfte abzuschätzen, die durch diese Exzentrizitäten verursacht werden. Es ist auch für geringe Verformungen des Luftspalts geeignet. Diese Methode kann mit einer Magnetik-Lookup-Tabelle (MLUT) oder mit Luftspaltflussdaten angewendet werden, die aus Drittanbieter-Software importiert wurden.
Das Störungsverfahren hilft dabei, die Auswirkungen von Exzentrizitäten auf Magnetkraft-Oberschwingungen mit hohen Frequenzen abzuschätzen. Unter Umständen werden bestimmte Komponenten aber über- oder unterschätzt, z. B. die unsymmetrische magnetische Anziehung bei H1. Maschinenbau- und Elektroingenieure können mit dieser Funktion die Auswirkungen von 3D-Exzentrizitäten berechnen, übermäßig konservative mechanische Toleranzen vermeiden und eine robuste e-NVH-Bewertung verschiedener elektrischer Maschinen durchführen. Bei Verwendung eines mechanischen 3D-FEA-Modells in Manatee empfehlen wir die Modellierung von Exzentrizitätseffekten. So können Sie parasitäre unsymmetrische magnetische Anziehungskräfte berücksichtigen, und wie sie sich auf Geräusche auswirken, die durch die Struktur und über die Luft übertragen werden.
Ungleichmäßiger Luftspalt
Die Manatee Software bewertet die Auswirkungen ungleichmäßiger Bohrungsradien aufgrund mechanischer Toleranzen auf elektromagnetische Geräusch- und Schwingungspegel. Benutzer können verschiedene Muster angeben, wie die elliptische Verformung und ihre Größe relativ zur Breite des Luftspalts. Für eine schnelle Analyse wendet Manatee ein Störverfahren auf die Luftspaltflussdichte an, um parasitäre Magnetkräfte abzuschätzen, die durch 3D-Exzentrizitäten verursacht werden. Diese Methode ist effektiv für geringe Verformungen des Luftspalts (bis zu 15 % seiner Breite) und kann mit einer Magnetik-Lookup-Tabelle (MLUT) oder mit einem Luftspaltfluss verwendet werden, der von Drittanbieter-Software importiert wurde.
Das Störungsverfahren hilft Maschinenbauingenieuren dabei, die Auswirkungen eines ungleichmäßigen Luftspalts auf Geräusche und Schwingungen zu bewerten und übermäßig konservative mechanische Toleranzen zu vermeiden. Außerdem können Elektroingenieure eine robuste e-NVH-Bewertung verschiedener Maschinen durchführen und dabei berücksichtigen, wie sich Statorverformungen auf den Geräuschpegel auswirken. Ein ungleichmäßiger Luftspalt kann durch Fertigungsprozesse wie Segmentierung, Schweißen oder Aufschrumpfen entstehen.
Ungleichmäßige Magnetisierung
Mit der Manatee Software können Sie abschätzen, wie sich eine ungleichmäßige Magnetisierung aufgrund von Fertigungs- oder Baugruppentoleranzen auf elektromagnetische Geräusch- und Schwingungspegel auswirkt. Dabei lässt sich eine zufällige Störung auf alle Magnete anwenden, oder Sie geben benutzerdefinierte Abweichungen für die Magneten jedes Pols einzeln an.
Dauerhafte magnetische Anregungen können aus verschiedenen Gründen auftreten, u. a. wegen Fertigungsschwankungen, unterschiedlichen Betriebstemperaturen, abweichenden Positionen der Nuten…
Mit dieser Funktion können Elektroingenieure die Auswirkungen einer ungleichmäßigen Magnetisierung auf elektromagnetische Geräusche und Schwingungen berechnen. Auf diese Weise lässt sich die Verwendung übermäßig konservativer Werte für remanente Flusstoleranzen vermeiden. Sie können auch eine ungleichmäßige Magnetisierung angeben, indem sie einige Magnetfeldmessungen außerhalb des Permanentmagnet-Rotors angeben.
Mit dieser Funktion können Elektroingenieure weiterhin robuste e-NVH-Bewertungen verschiedener elektrischer Maschinen durchführen. Vielleicht ist eine elektrische „Maschine A“ ohne ungleichmäßige Magnetisierung lauter als „Maschine B“, während schon eine ungleichmäßige Magnetisierung von 2 % das Gegenteil bewirkt.
Häufig gestellte Fragen zur Simulation in Manatee
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Richten Sie Modelle elektrischer Maschinen und Antriebe für die Simulation ein
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