В статье раскрываются некоторые аспекты, касающиеся теплового расчета электрических машин с помощью Ansys CFX, а также описываются возможности данного пакета при анализе полученных результатов.
В современном проектировании электрических машин активно применяются программные пакеты инженерного анализа (CAE-системы), позволяющие решать инженерные задачи численными методами – конечных элементов, контрольных объемов и др. На сегодняшний день без применения математического моделирования предприятиям очень сложно конкурировать на рынке электрических машин, особенно при проектировании мелкосерийных двигателей и генераторов. Многим инженерам-расчетчикам, начинающим пользователям прикладных программ инженерного анализа зачастую непросто найти правильный способ проведения полноценного поверочного теплового расчета спроектированной электрической машины. В данной статье описаны ключевые этапы теплового расчета, а также возможности программы ANSYS CFX при анализе полученных результатов на примере асинхронного двигателя мощностью 630 кВт.
Подготовка геометрии и структуры проекта ANSYS Workbench
Первое что необходимо для проведения полноценного расчета – это подготовка 3D модели электрической машины, пригодной для построения расчетной сетки. Основное правило – модель должна содержать в себе как можно меньше деталей и особенностей геометрии, практически не влияющих на циркуляцию охлаждающей среды и общее тепловое состояние. Например, болты, гайки, вспомогательная проводка, галтели на валу, шпонки и т.д. Детали, отверстия и переходы, размер которых является малым по отношению к целевым узлам, значительно увеличивают размерность сетки, нерационально нагружая тем самым вычислительные ресурсы и память компьютера.
Для проведения расчета должна быть построена проточная часть системы охлаждения, которая может состоять из одного или нескольких расчетных объемов, т.н. доменов, окружающих твердые тела. Рекомендуется создавать домены в том пакете 3D моделирования, к которому привык пользователь. Затем уже в модуле ANSYS DesignModeler вырезать из них твердые тела с помощью булевой операции.
В электрической машине очень много симметричных узлов и периодически повторяющихся деталей. Этим обязательно нужно пользоваться для сокращения размерности расчетной модели. Количество элементов сетки можно уменьшить в число раз, равное общему количеству симметричных частей. Например, если генератор симметричен относительно центра электромагнитного ядра, то общая размерность сетки уменьшится в 2 раза. Если генератор имеет 90 пазов в статоре, то число элементов сетки твердых тел и воздуха статора можно уменьшить в 90 раз! Благодаря такому подходу на первый взгляд ресурсоемкие с точки зрения вычислительных мощностей конструкции с огромным количеством деталей оказываются вполне подходящими для расчета даже на компьютере с посредственными вычислительными возможностями.
Следующий этап касается организации модулей, составляющих проект ANSYS Workbench. Характерная картина расположения и связей между модулями представлена на схеме 1. Такая схема имеет максимальную гибкость по сравнению со случаем, когда компоненты начиная от геометрии и заканчивая результатами расчета помещены в одном блоке. В случае обнаруженного недочета в геометрии (а это случается практически всегда) при постановке задачи не придется переделывать всю геометрию и перестраивать все сетки, а лишь исправить только узел, в котором обнаружена ошибка. Нижняя ветвь геометрия-сетка как раз иллюстрирует ситуацию, когда была обнаружена неточность в формировании поверхностей вала. В блоке дублированной геометрии они были исправлены, и некорректная сетка в компоненте CFX-Pre была заменена на новую из блока “shaft”.
Основной блок с подготовленной геометрией соединяется с блоками генератора сетки, имеющими различные настройки. Например, сетки твердых доменов строятся методом преобладающих гексаэдров, а сетки доменов воздуха – только с помощью тетраэдров и призматических элементов в пристеночных областях. К тому же, домены воздуха различных частей могут иметь свои особенности и атрибуты, и также относиться к разным блокам компонента Mesh.
Рисунок 1 - Схема проекта в ANSYS Workbench
Отметим, что для полноценного теплового расчета данным методом не требуется использование дополнительных компонентов ANSYS Mechanical: Steady-State Thermal, Transient Thermal. Модуль ANSYS CFX позволяет полноценно рассчитывать как конвективный теплообмен в воздухе, так и теплопроводность в сплошной среде и вычислять все необходимые параметры теплового режима, что является важной возможностью для вентиляционных расчетов электрических машин.
Постановка задачи теплового расчета в ANSYS CFX
Следующий шаг на пути получения результатов – постановка задачи в препроцессоре ANSYS CFX-Pre. Решателю необходимо знать в точности все отношения между сеточными доменами для получения адекватного решения. Во избежание возможных неточностей при автогенерации интерфейсов можно удалить все интерфейсы «по умолчанию» и ввести их вручную. Домены нужно добавлять по порядку до тех пор, пока не исчезнет DefaultDomain. В настройках каждого домена выбираем, является ли он solid (“твердым”), либо fluid (“жидким”), свойства охлаждающей среды (если воздух, то обязательно AirIdealGas, т.к. температуры воздуха, а, следовательно, и его свойства, меняются значительно по объему машины), и указываем скорость вращения fluid доменов, в которые заключены вращающиеся твердые тела (такие как сердечник и медь ротора, вал и т.д.).
Если электрическая машина является открытой по исполнению, то в качестве граничных условий (ГУ) на входе и выходе можно установить граничные условия типа “Opening” с температурой 40˚C и относительным давлением 0 Pa. В большинстве случаев ГУ типа “Outlet” на выходе является неприменимым, т.к. некоторое количество воздуха будет неизбежно возвращаться через выходное отверстие вследствие того, что спрямляющие аппараты вентиляторов электрических машин далеко неидеальны, и результаты такого расчета не будут иметь физический смысл. Задание ГУ типа “Inlet” на входе имеет смысл только в случае, если заранее известен примерный расход (например, из предварительного расчета с ГУ типа “Opening”, решение которого сошлось не до конца).
Рисунок 2 - Постановка задачи в CFX-Pre
Помимо интерфейсов и граничных условий необходимо указать источники тепловых потерь путем добавления так называемого субдомена (Subdomain) в соответствующий домен. В его настройках нужно указать общее количество выделяемого тепла в домене в Ваттах.
Основными критериями сходимости расчета являются не столько величины невязок (Residuals), сколько выход целевых расчетных характеристик на величину с относительно небольшими колебаниями по мере выполнения итераций расчета. Для того, чтобы увидеть процесс сходимости, необходимо на этапе препроцессинга создать элементы мониторинга тех самых неизвестных. Для этого в разделе Output Control на вкладке Monitor с помощью CEL-языка нужно описать формулу неизвестной. Наиболее интересными в описанном расчете являются средняя температура обмотки статора, ротора, общий расход воздуха, а также его температура на выходе. При выходе кривых данных мониторов на отрезок с небольшими колебаниями и без преобладающей тенденции величины к повышению или понижению можно считать расчет завершенным.
Анализ результатов теплового расчета
В результате, после проведенного расчета, мы можем увидеть установившуюся картину распределения температур, скоростей воздуха и многих других интересующих нас параметров в модуле анализа результатов CFD-Post. Проанализируем полученные результаты на примере поверочного теплового расчета асинхронного двигателя cкороткозамкнутой обмоткой ротора мощностью 630 кВт, 600 об/мин. На рисунке 3(а) показано поле векторов скоростей воздуха в стационарных координатах в поперечном сечении электромагнитного ядра. Здесь можно увидеть самое узкое место вентиляционной схемы машины – зазор между радиальной распоркой и стержнем ротора, т.к. скорость воздуха в радиальном направлении (см. также рисунок 3(б)) в данной области принимает максимальные значения. Это дает существенные возможности для оптимизации вентиляционных параметров: меняя количество пазов ротора, ширину стержней и т.д. можно добиться существенного снижения аэродинамического сопротивления электромагнитного ядра, что значительно отразится на общем расходе воздуха в сторону его повышения, снизив тем самым перегревы обмотки статора.
На рисунке 4 можно заметить ошибку проектирования системы вентиляции, которая стала причиной обратных паразитных течений воздуха, создающих дополнительные потери давления. Поскольку нажимной палец ротора, служащий в качестве нагнетательного элемента, оказался по ширине меньше радиального канала, то давление в незанятом нажимным пальцем пространстве оказалось ниже давления за спинкой статора. Такая разность давлений является причиной того, что подогретый обмотками воздух перетекает обратно в полость лобовых частей обмотки статора и затем повторно омывает активные части двигателя, что является недопустимым в правильно построенной вентиляционной схеме. Подобная наглядность и легкость в обнаружении ошибок проектирования является неоспоримым преимуществом численного моделирования перед аналитическими расчетами и натурными испытаниями.
Рисунок 4 - Векторы скоростей воздуха в продольном сечении ЭМ в стационарных координатах
На рисунке 5 представлено температурное поле активных частей двигателя, где видны самые нагруженные в тепловом отношении части обмоток. Чтобы еще более наглядно показать области с наибольшими температурами, можно воспользоваться инструментом IsoVolume, который позволяет визуально ограничить объем поверхностью с определенной температурой. Например, на рисунке 6 показан объем, температура которого выше 85 ˚C.
Рисунок 5 - Температурное поле активных частей ЭМ в продольном сечении
Изоляция обмотки статора выполнена по классу F с максимально допустимой абсолютной температурой 155 ˚C. В нашем же случае, максимальный перегрев обмотки статора составляет всего 85,3 ˚C, что означает чрезмерные запасы по активным материалам. Проектные расчеты данной электрической машины проводились классическими аналитическими методами, точность которых зачастую оставляет желать лучшего, поэтому инженерам «старой школы» приходилось закладывать запасы подобных размеров, чтобы быть уверенными в эксплуатационных характеристиках производимой продукции. Результаты же теплового расчета в пакете Ansys CFX совпадают с данными испытаний на 99%, что позволяет свести уровень запасов к минимуму, снизить общую массу двигателя и таким образом существенно повысить уровень конкурентоспособности производимых машин.
Еще одним важным аспектом при анализе полученных результатов является оценка потерь на вентиляцию машины. Достаточно точную величину потерь можно получить, используя выражения CEL в CFD-Post, как показано на рисунке 7.
