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「馬達」一詞會讓人聯想到汽車。但馬達無所不在,只要會移動並連接電源的裝置,通常至少裝有一個馬達。這種裝置包括汽車、飛機、電動工具、健身設備、家用電器 (如冰箱、微波爐、果汁機與電風扇)、工業設備、幫浦與 HVAC 機組。
馬達的普及意味著每天都有數以千計的工程師,致力於開發更新穎、更高效的各種馬達設計,包括無刷永磁 (BPM) 馬達、感應馬達、同步馬達、外轉子馬達與同步磁阻馬達等。多物理模擬所用的 Ansys Motor-CAD 專用電動馬達設計工具,常是這些開發工作的決定性角色,其為工程師提供馬達專用的模擬解決方案,並運用多物理技術,同時處理馬達設計的電磁、熱與機械面向。
我們近期在 Motor-CAD 解決方案最新版中,提升了靈活性與創新潛力。內建 Python 驅動自適應範本功能,為實現這些提升內容的主要強化項目。
這些範本為打算設計馬達的工程師提供入門起點,無須每次都是從零開始打造專案。範本常是根據特定設計需求而用於修改。若要為創新應用設計馬達並取得競爭優勢,就需要客製化。
Motor-CAD 解決方案長期以來提供多種馬達設計範本,但在過去,這些設計的客製化,主要還是手動進行,而不是自動化流程。工程師有時會先備妥一個圖檔交換格式 (DXF) 的線圖,再將其匯入 Motor-CAD 軟體進行模擬,藉此瞭解其表現。匯入的 DXF 不具參數化尺寸,所以無法用於參數化研究,例如靈敏度分析或最佳化。雖然有限的指令碼功能可用於在設計中加入參數化節點、線段與弧形,但要進行較複雜的變更並非易事。
簡單來說,馬達設計多半仍是手動流程。每次修改都代表著緩慢重複的手動作業。如果沒有自動化,便難以調整設計規模,或探索幾何形狀的改良空間。此外,您也無法在其他馬達重複使用先前客製化的設計。
自適應範本徹底翻轉了一切。
Motor-CAD 解決方案的自適應範本,可讓這些設計問題迎刃而解。它們讓工程師在建立幾何上更具彈性,可在無需額外工具或專業知識下,進行馬達客製化。自適應範本透過易於使用的內建範本,讓您享有客製化的一切優點。自適應範本的優點包括:
您可利用 Motor-CAD 軟體內建的 Python 指令碼編寫功能,修改自適應範本。或是使用 Python 指令碼變更模型參數,建立可供往後使用的自適應範本,進一步加快馬達設計流程。
使用 Python 編輯器的指令碼,在轉子上追加凹槽的範例
實際操作上,只需使用 Motor-CAD 軟體的編輯器功能,即可檢視馬達的幾何。接著,點選自適應範本頁籤,就能插入新的 Python 指令碼以變更馬達參數。
例如,假設您想在內部永磁同步馬達 (IPMSM) 的轉子上加入三角凹槽,以減緩齒槽轉矩與轉矩漣波,進而改善噪音、振動與粗糙度 (NVH)。只要加入幾行預先撰寫且含有新參數的 Python 指令碼,就能依要求自動變更轉子設計。您可以從標準徑向視圖看到模型的視覺變化,並在參數表確認已有正確套用新參數 (例如凹槽角度、各極掃描數、深度等)。這個自適應範本可另存以供日後使用,以因應需要另行修改的狀況。
運用 Ansys Motor-CAD 軟體的自適應範本,於內部永磁同步馬達 (IPMSM) 的轉子上加入凹槽,以期最佳化轉矩與噪音、振動與粗糙度 (NVH)
為了進一步強化 Motor-CAD 解決方案的自適應範本,我們確保其涵蓋馬達的電磁、機械與熱物理行為,以提供完整的設計傳真度。
電磁模擬通常是大多數馬達設計的起點,首先從基礎幾何著手。有了 Motor-CAD 軟體,您可針對馬達設計原型,迅速進行各種電磁效能測試,包括計算轉矩、功率、損耗、電壓、電流、電感、磁通連結與電磁力等。我們使用自適應範本進行變更時,2D 有限元素分析 (FEA) 軟體直接對該自適應幾何進行求解,因此其使用的是實幾何,如同您以往使用匯入 DXF 幾何的方式。然而,現在這一切都已自動化,包括網格劃分、材料、繞線設定等。渦電流造成的 AC 繞組損耗,對電動機同樣是重要議題,尤其在高頻率時不容輕忽。Motor-CAD 軟體提供兩種自動化選項,分別為混合 FEA 與完整 FEA,可輕鬆切換使用。
此外,Motor-CAD 解決方案採用的實驗室模組 (用於計算工作週期、匯出效率圖以利系統建模、進行 NVH 分析等),在所有自適應範本中皆可使用。
Motor-CAD 顯示具有弧形磁通屏障的同步磁阻馬達 (SYNCREL) 有限元素分析 (FEA) 磁通密度結果 (上圖) 與效率圖 (下圖)
機械模擬與分析對於馬達效能的兩大領域至關重要:轉子應力分析與 NVH。我們若在電磁模組中設定幾何,則會與根據 2D FEA 的機械模組共用,接著就能對幾何直接進行轉子應力求解,無需額外設定。所有 NVH 的自動化與工作流程,同樣使用自適應範本。回到 IPMSM 的轉子凹槽範例,這裡會依據新的自適應幾何,計算施加於定子機座的最佳化電磁力。這些施力資料會與 NVH 模組共用,藉此有效驗證 NVH 的改善幅度。
您也可以在穩態與暫態操作條件下,計算馬達元件的溫度,並在短短幾秒內準確模擬熱行為。自適應範本還能搭配熱模組使用,從這張圖就能看出,該圖顯示了更新後的弧形磁通屏障與形狀。
於熱模式使用自適應範本所更新的熱特性,適用於具弧形磁通屏障的同步磁阻馬達 (SYNCREL)
在熱模組中,像是熱傳導等行為,主要受到元件間介面所主導,所以對細微的自訂變更反應較不敏感。至於重要的客製化熱設計,我們仍建議自行設計熱迴路。此處需特別留意的一點是,使用自適應範本進行變更時,會依據新形狀重新計算截面面積,所以質量與重量的計算將隨著新形狀改變,這些參數將帶入熱模組,用於計算質量與熱電容等項目。
我們規劃在未來推出的版本中,進一步強化 Motor-CAD 軟體的自適應範本功能。請務必在推出新版本時,回來瞭解最新功能的內容。
同時,您也可以觀看 Ansys Motor-CAD 自適應幾何範本網路研討會,瞭解如何在 Motor-CAD 解決方案中,使用自適應範本的示範操作。