Nästa generations elektriska traktionsmotorer

För att uppnå de strängare miljökraven behöver motorns termiska prestanda förbättras. ABB:s ingenjörer antog utmaningen som inte var lätt eftersom storstadstågens utrymmen för elmotorer vanligtvis är väldigt små. Utrymmesbristen resulterar i att elmotorerna måste bli alltmer kompakta, samtidigt som de ska producera mer energi i samma volym, vilket i sin tur lämnar mindre plats för kylning.

Dessutom måste elmotorerna kunna leverera den specificerade energin utan att överhetta kritiska komponenter eller minska den operativa effektiviteten. Ingenjörerna på ABB behövde en etablerad metod för att bedöma elmotorns termiska prestanda tidigt i designfasen. Ett team av ingenjörer från ABB, Ansys och Politecnico di Torino utförde simuleringar i Ansys Fluent med mycket hög modelleringsnoggrannhet. Något som i sin tur möjliggjorde att teamet kunde bedöma hotspots kring kritiska komponenter, inklusive ändlindningar, statorspår och rotorstänger. För att effektivisera och snabba upp beräkningarna av den termiska BTU:n, kopplades Ansys Fluent ihop med dynamiskt reducerade modeller (ROM) i Ansys Twin Builder. Därmed kunde de snabbt och noggrant analysera det termiska beteendet hos elmotorerna genom hela deras körcykler.

En ROM gav teamet ett sätt att snabbt uppnå resultatet av den termiska prestandan. ROM:en styrkte ingenjörernas tes att undersöka en motormodell genom att slumpmässigt välja utvalda driftsparametrar och snabbt identifiera beteendet hos en specifik design.

Normalt sett, med en traditionell lösning, är det någonting som skulle kräva många timmars, eller till och med, dagars arbete. Genom att använda en dynamisk ROM kunde ingenjörerna utföra uppgiften på bara några millisekunder.

Skapa en Fluent-design

Teamet använde Ansys SpaceClaim (CAD) för simuleringen och förberedde modellen genom att rensa CAD geometrin och extrahera fluidvolymerna. Modellen importerades sedan till Ansys Fluent för att simulera temperaturfördelningen över både fluidvolymer och solida delar i ett jämviktstillstånd. Genom att utnyttja en enda konjugerad värmeöverföringsanalys (CHT) kunde ingenjörerna på mindre än tio minuter i en simulering förutspå den termiska prestandan i både CFD och värmeöverföringsmodellerna.

Analytikerna från Politecnico di Torino fick stöd från Fluent-modellen för att köra flera designkonfigurationer och utforska flera olika typer av designvillkor i förhållande till gällande randvillkor och driftsförhållanden.

Preprocessningen är ofta det mest krävande steget i en CHT-analys, då analysen kräver att ingenjörerna säkerställer kvaliteten på beräkningsmeshen. Ansys Fluent Mosaics Meshing användes till det tunga beräkningsarbetet, samtidigt som antalet element i meshen kunde hållas till ett minimum för att garantera snabba, korrekta resultat.

ABB utnyttjade ett beräkningskluster (HPC) för att få referensmodellerna att köra snabbare. För att generera traditionella modeller med 99% tillförlitlighet, krävdes simulering i 17 dagar av hela den tidsvarierande körcykeln på 32 beräkningskärnor. HPC visade sig vara ovärderlig för att generera denna typ av maskininlärningsdata, vilken ingenjörerna använde för att bygga ROM:en.

Bygga ROM:en i Ansys Twin Builder

ROM:en är en förenklad, komprimerad version av en referensmodell som reducerar tiden som krävs för att optimera och simulera ett komplext system samtidigt som den bevarar tillförlitligheten. Genom att utforska designalternativ 10–100 gånger snabbare än en referensmodell med liknande tillförlitlighet har ROM:en möjliggjort förutsägelser av motorns termiska beteende i körcykler med ett stort antal driftpunkter.

Efter att ingenjörerna noggrant designat, tillverkat och implementerat den fysiska prototypen av den elektriska motorn testade de den med ROM:en. De körde simuleringsmodellen av motorn parallellt och i realtid mot prototypen medan den körde längs spåren. Detta skulle inte ha varit möjligt med en traditionell lösning då det, som minst, tar flera timmar att utföra. Istället utförde ROM:en simuleringen på millisekunder vilket gjorde att ingenjörerna kunde förutsäga motorfel och förbättra driften i realtid.

En dynamisk ROM skapades primärt för den tidskritiska simuleringen eftersom ingenjörerna behövde kunna förutsäga det termiska beteendet hos elmotorn under full drift med ett stort antal driftförhållanden som ändras över tid.

Att köra en dynamisk ROM var nyckeln för ingenjörerna för att förstå motorns beteende då den försåg olika nivåer med effektförlust som svar på termisk tröghet och övergående effekter under en typisk driftcykel. Föreställ dig, som ett exempel, ett tunnelbanetåg som börjar rulla från dess första stopp. Först är det en accelerationsfas. Accelerationsfasen följs sedan av en glidfas och sedan en bromsfas för att nå nästa schemalagda stopp. Under dessa faser ändras temperaturen i flera motorkomponenter kontinuerligt och olika mycket. Denna process upprepar sig under alla stopp längs spåret medan tunnelbanetåget färdas genom staden. När tåget parkerar, stannar även motorn som sakta börjar svalna.

Den dynamiska ROM:en gav insikt i otaliga operativa scenarion som ett tåg kan stöta på. Allt ifrån att ta sig upp- och nedför kullar till att hantera halka på ett blött tågspår.

Med den optimerade modellen kunde ROM:en köras på bara några millisekunder och tidsåtgången minimerades utan att tumma på tillförlitligheten. Faktum var att ROM:ens avvikelse i att förutspå motorns termiska prestanda var mindre än 1 C från den fullständiga referensmodellen.

Verifiera designen

ABB-ingenjörerna genomförde därefter experimentella temperaturmätningar för att jämföra det fullständiga CHT-resultaten med datan som de fick från motorprototypens termoelementsensorer. ABB fann att avvikelsen mellan massflödet på kylvätskan (luft) mätt från de experimentella resultaten och modellen låg inom en 5% felmarginal. Någonting som visar på tillförlitligheten i CFD-analysen. ABB-ingenjörerna visade också att temperaturerna i jämviktstillstånd som uppmättes i den experimentella installationen matchade dem i Ansys-modellen.

Eftersom man kunde visa en god överensstämmelse mellan prototypmätningar och ROM baserad simulering så har ABB-ingenjörerna nu en simuleringsmetod som kan förutsäga den termiska prestandan i framtida motordesigner. Som ett resultat av det kan utvecklingsteamet drastiskt minska antalet fysiska prototyper som de måste tillverka, och även minska beräkningstiden från veckor och dagar till sekunder.