Simulación en Manatee
Modelos de simulación rápidos y precisos para flujos de trabajo multifísicos
Simulación de Máquinas Eléctricas en Manatee
El software Manatee ofrece un conjunto de herramientas para realizar cálculos del ruidio, la vibración y aspereza de sistemas eléctricos (e-NVH) de forma rápida y precisa. Incluye modelos de circuitos eléctricos rápidos para simulaciones rápidas de tensión y modelos magnéticos híbridos para evaluaciones en fases de diseño tempranas. El software se integra con las herramientas FEA para realizar análisis magnéticos y estructurales detallados, admitiendo elementos de viga y modelos FEA 3D. Estos modelos ayudan a los ingenieros a evaluar los niveles de vibración y ruido, optimizar los diseños e incorporar tolerancias de fabricación como excentricidades y magnetización desigual. La plataforma facilita la colaboración entre los ingenieros eléctricos, mecánicos y de NVH, lo que permite realizar simulaciones de e-NVH eficaces y sólidas en la fase de diseño preliminar y de concepto.
Cálculos de e-NVH rápidos y precisos
- Modelos de circuitos eléctricos rápidos
- Modelos magnéticos rápidos
- Modelos magnéticos de elementos finitos
- Modelo de elementos de viga
- Modelos estructurales de elementos finitos
- Modelos acústicos semianalíticos rápidos
Modelos de circuitos eléctricos rápidos
El software Manatee e-NVH incluye modelos de circuitos eléctricos rápidos para realizar simulaciones electromagnéticas controladas por tensión. Estos modelos se pueden utilizar para estimar rápidamente los niveles de corriente de las entradas de tensión sin simulaciones transitorias. Se basan en circuitos eléctricos equivalentes (EEC) armónicos en estado estable, que describen las funciones de transferencia de tensión/corriente con resistencias e inductancias equivalentes.
Los
ingenieros eléctricos pueden utilizar los modelos Fast EEC para introducir directamente la ley de control de tensión. Son especialmente útiles para máquinas de inducción (entrada de deslizamiento y tensión de fase como función del punto de funcionamiento) y para la simulación de inversores de tensión PWM.
Modelos magnéticos rápidos
Además de los algoritmos patentados para acelerar las simulaciones magnéticas estándar de FEA, el software de e-NVH Manatee también incluye modelos electromagnéticos híbridos rápidos para que puedan usarse en la fase inicial de diseño de máquinas eléctricas. Estos modelos híbridos magnéticos que predicen la distribución de flujo del espacio de aire dependen de la combinación de modelos de permeabilidad/fuerza magnetomotriz, cálculos de FEA o modelos de reluctancia magnética (por ejemplo, para estimar mejor los efectos de saturación). Se pueden utilizar en flujos de trabajo de simulación accionados por corriente o tensión para capturar rápidamente las principales interacciones entre las fuerzas magnéticas y los modos estructurales, como complemento a los modelos magnéticos FEA utilizados en la fase de diseño intermedia o detallada.
Los ingenieros eléctricos pueden usar estos modelos magnéticos rápidos al clasificar diferentes topologías de máquinas electrónicas en la fase de diseño conceptual (por ejemplo, comparar IPMSM con SCIM o diferentes combinaciones de ranura/polo). Dado que los parámetros del modelo (por ejemplo, el número de armónicos y la discretización) los define automáticamente Manatee, los ingenieros mecánicos o acústicos también pueden ejecutar fácilmente estos modelos rápidos para ejecutar un escenario de "caso hipotético" y obtener una idea cualitativa de la influencia de las variables de diseño en las fuerzas magnéticas, la vibración y el ruido.
Modelos magnéticos de elementos finitos
Manatee incluye un acoplamiento con el solver OPERA, además de la función de importación de flujo del espacio de aire. Las bandas deslizantes automatizadas, las simetrías y la paralelización permiten reducir el tiempo de cálculo de este análisis FEA magnetoestático no lineal. Todos los modelos magnéticos incluyen algoritmos patentados para acelerar las simulaciones de FEA magnética, que se basan en tablas de consulta magnética (MLUT) combinadas con técnicas de extrapolación/interpolación. La MLUT basada en FEA se puede utilizar en flujos de trabajo de simulación impulsados por corriente o tensión para capturar de forma precisa las interacciones entre las fuerzas magnéticas y los modos estructurales, como complemento a los modelos magnéticos rápidos que se pueden utilizar en la fase de diseño inicial.
Estos modelos magnéticos precisos pueden ser utilizados por ingenieros de diseño eléctrico o electromagnético cuando están iterando en la geometría del circuito magnético de la máquina eléctrica. Una vez que las fuerzas magnéticas se han caracterizado en diferentes puntos de funcionamiento dentro de una mesa de consulta magnética (MLUT), los ingenieros mecánicos o los ingenieros de NVH pueden cargar este MLUT para realizar cálculos de NVH electrónicos de velocidad variable. Al iterar en el diseño estructural, este MLUT se puede reutilizar, lo que acelera las iteraciones de diseño mecánico para niveles de ruido magnético y vibración.
Modelo de elementos de viga
El software Manatee para el e-NVH ofrece un modelo mecánico estructural rápido para evaluar los niveles de vibración bajo excitaciones electromagnéticas, utilizando el modelo de elemento de viga para el sistema de yugo/diente del estator. Este modelo es especialmente útil durante la fase de diseño conceptual de los accionamientos eléctricos para evitar resonancias estructurales y evaluar rápidamente la vibración del estator y los niveles de ruido. Es preferible para máquinas con rotor interior, ya que tiene en cuenta la flexión de los dientes del estator y el impacto de las fuerzas radiales y circunferenciales. Los ingenieros eléctricos y mecánicos pueden utilizar este modelo para optimizar el circuito magnético y estimar las frecuencias naturales. En la fase de diseño detallado, los cálculos se pueden refinar mediante la función de importación modal 3D de Manatee con un modelo CAD detallado.
Modelos estructurales de elementos finitos
La plataforma colaborativa Manatee para el e-NVH permite realizar cálculos detallados utilizando un modelo mecánico de 3D FEA del accionamiento eléctrico, incluidos componentes como el rotor, el estator, la carcasa, la caja de cambios, la cadena cinemática y rodamientos. Este modelado detallado proporciona modos más realistas en comparación con los modelos analíticos rápidos o de elementos de viga y es crucial para considerar tolerancias y fallos en los cálculos de e-NVH.
Manatee puede importar una base modal de software FEA 3D de terceros, como SIMULIA Abaqus, y realizar un pre-procesamiento único para reducir el tiempo de computación e-NVH. La base modal importada puede reutilizarse en simulaciones de velocidad variable o barridos de parámetros, siempre que las modificaciones del circuito magnético no la alteren.
El modelo 3D FEA puede incluir sensores para extraer los niveles de vibración en áreas específicas para compararlos con las mediciones del acelerómetro o para evaluar la vibración nodal en las direcciones x, y y z según los requisitos de NVH. Los ingenieros mecánicos pueden importar la base modal FEA mecánica 3D, que pueden utilizar los ingenieros eléctricos para iteraciones de modelos electromagnéticos o los ingenieros de NVH para comprobaciones de requisitos de velocidad variable.
Modelos acústicos semianalíticos rápidos
El software Manatee para el e-NVH incluye modelos semianalíticos rápidos de la radiación acústica de las máquinas eléctricas, que se pueden utilizar en diferentes fases de diseño.
En la fase inicial del diseño, cuando no hay disponible un modelo CAD detallado, se proponen algunos modelos de factor de radiación semianalíticos de la estructura externa (estator o rotor) basados en modelos equivalentes de carcasa de cilindro. En la fase de diseño detallado, cuando Manatee utiliza un modelo FEA 3D complejo, una forma rápida de evaluar el nivel de potencia acústica es el modelo analítico de potencia radiada equivalente (ERP).
Los ingenieros eléctricos pueden utilizar los modelos de carcasa cilíndrica equivalentes en la fase de diseño inicial para estimar el nivel de potencia acústica irradiado por los principales modos de flexión en el plano del conjunto de bobinado de laminación (o conjunto de imán de acero para rotores externos). Los ingenieros mecánicos y acústicos pueden utilizar el modelo de potencia radiada equivalente para estimar el nivel de sonido debido a excitaciones magnéticas.
Diseño robusto que incluye tolerancias de fabricación
- Escentricidades estáticas y dinámicas
- Espacio de aire desigual
- Magnetización desigual
Escentricidades estáticas y dinámicas 3D
El software Manatee evalúa el impacto de las excentricidades estáticas y dinámicas 3D en los niveles de ruido electromagnético y vibración debido a las tolerancias mecánicas. Permite la especificación de niveles de excentricidad y posiciones tanto en el extremo motriz como en el no motriz.
Para un análisis rápido, Manatee utiliza una técnica de perturbación para estimar las fuerzas magnéticas parásitas causadas por estas excentricidades, adecuadas para deformaciones de espacio de aire bajo. Este método se puede aplicar con una tabla de consulta magnética o flujo de espacio de aire importado desde software de terceros.
La técnica de perturbación ayuda a estimar el efecto de la excentricidad en los armónicos de fuerza magnética de alta frecuencia, pero puede sobrestimar o subestimar ciertos componentes, como la tracción magnética desequilibrada a H1. Los ingenieros mecánicos y eléctricos pueden utilizar esta función para calcular el impacto de las excentricidades de 3D, evitando tolerancias mecánicas excesivamente conservadoras y realizando una clasificación de e-NVH sólida de diferentes máquinas eléctricas. Se recomienda modelar los efectos de excentricidad cuando se utiliza un modelo mecánico de 3D FEA en Manatee para tener en cuenta la tracción magnética asimétrica parásita y sus contribuciones al ruido de estructura y al aire.
Espacio de aire desigual
El software Manatee evalúa el impacto de un radio de perforación desigual debido a las tolerancias mecánicas en los niveles de ruido electromagnético y vibración. Los usuarios pueden especificar patrones como la deformación elíptica y su magnitud relativa a la anchura del espacio aéreo. Para un análisis rápido, Manatee emplea una técnica de perturbación en la densidad de flujo de entrehierro para estimar las fuerzas magnéticas parásitas causadas por las excentricidades 3D. Este método es eficaz para deformaciones de espacio de aire bajas (hasta un 15 % del ancho del espacio de aire) y se puede utilizar con una tabla de consulta magnética o flujo de espacio de aire importado de software de terceros.
La técnica de perturbación ayuda a los ingenieros mecánicos a evaluar los efectos de la desigualdad de la distancia entre los imanes en el ruido y las vibraciones, evitando tolerancias mecánicas demasiado conservadoras. También permite a los ingenieros eléctricos realizar una clasificación de e-NVH sólida de diferentes máquinas, teniendo en cuenta cómo las deformaciones del estator afectan a los niveles de ruido. El entrehierro desigual puede deberse a procesos de fabricación como la segmentación, la soldadura o el ajuste por contracción.
Magnetización desigual
El software Manatee le permite evaluar el efecto de la magnetización desigual debida a las tolerancias de fabricación o montaje en los niveles de ruido electromagnético y vibración. Se puede establecer una perturbación aleatoria para todos los imanes, o bien se puede establecer una variación definida por el usuario por separado para cada imán de cada polo.
Las excitaciones permanentes del imán pueden ser irregulares debido a variaciones de fabricación, diferentes temperaturas de funcionamiento, diferentes posiciones en las ranuras…
Esta función permite a los ingenieros eléctricos calcular el efecto de la magnetización desigual sobre el ruido electromagnético y las vibraciones. Se pueden evitar valores demasiado conservadores de tolerancias de flujo remanentes. Se puede especificar una magnetización desigual utilizando algunas mediciones del campo magnético fuera del rotor del imán permanente.
Esta función también permite a los ingenieros eléctricos realizar una clasificación sólida de NVH electrónico de diferentes máquinas eléctricas. Una “máquina A” eléctrica puede ser más ruidosa que la “máquina B” sin una magnetización desigual, mientras que se convierte en lo contrario con un 2 % de magnetización desigual.
Preguntas frecuentes sobre Simulación en Manatee
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