Projektowanie koncepcyjne silników elektrycznych: szybki start i gotowe biblioteki

FluxMotor to łatwe w obsłudze oprogramowanie dedykowane projektowaniu i wstępnej analizie maszyn elektrycznych i został zaprojektowany z myślą o tym, by maksymalnie uprościć proces przygotowania modelu. Aplikacja zawiera bogate biblioteki i katalogi komponentów, takich jak stojany, wirniki i uzwojenia, co pozwala znacząco przyspieszyć tworzenie nowych konstrukcji.

Program jest w pełni skoncentrowany na projektowaniu silników elektrycznych, oferując użytkownikom zestaw narzędzi do parametryzacji, analizy i optymalizacji projektów w jednym środowisku. Dzięki temu możliwe jest szybkie porównywanie różnych wariantów i ocena ich charakterystyk elektromagnetycznych jeszcze przed wykonaniem prototypów.

Interfejs graficzny Motor Factory

Użytkownik może wybrać topologię z wirnikiem wewnętrznym lub zewnętrznym, co pozwala dostosować konstrukcję do konkretnej aplikacji, np. napędów trakcyjnych czy urządzeń przemysłowych.

Istotną funkcją jest możliwość wprowadzenia pochylenia (skew) szczelin lub magnesów, co ogranicza moment zaczepowy (cogging torque) i poprawia płynność momentu obrotowego.

Widok topologii silnika indukcyjnego w Motor Catalog

Obsługiwane typy maszyn i konfiguracje:

  1. Maszyny synchroniczne (Synchronous Machine)
    • PM- Permanent Magnet (magnesy trwałe)
      • Inner Rotor- 3Ph
        Wirnik wewnętrzny, zasilanie trójfazowe
      • Outer Rotor- 3Ph
        Wirnik zewnętrzny, zasilanie trójfazowe
      • Inner Rotor- nPh
        Wirnik wewnętrzny, dowolna liczba faz (n-fazowa)
      • Outer Rotor- nPh
        Wirnik zewnętrzny, dowolna liczba faz
    • RSM- Reluctance Synchronous Machine
      • Inner Rotor- 3Ph
        Synchroniczna maszyna reluktancyjna, wirnik wewnętrzny, 3-fazowa
    • WF- ISP (Wound Field- Internal Salient Pole)
      • Inner Rotor- 3Ph
        Maszyna synchroniczna z uzwojeniem wzbudzenia, bieguny jawne, wirnik wewnętrzny
  2. Maszyny indukcyjne (Induction Machine)
    • SQ- Squirrel Cage (klatkowy)
      • Inner Rotor- 3Ph
        Klasyczna maszyna asynchroniczna klatkowa, wirnik wewnętrzny
      • Outer Rotor- 3Ph
        Maszyna indukcyjna z wirnikiem zewnętrznym

Jedną z mocnych stron FluxMotor jest modułowa struktura, która obejmuje wszystkie elementy niezbędne do przygotowania i zarządzania projektem:

Widok wszystkich aplikacji dostępnych w Supervisor
  • Motor Catalog – Narzędzie do zarządzania projektami i katalogami maszyn. Umożliwia przeglądanie, porównywanie i wybór silników (zarówno standardowych, jak i tworzonych przez użytkownika).
  • Motor Factory – Główna aplikacja służąca do projektowania maszyn oraz oceny ich wydajności. Umożliwia dostęp do innych rozwiązań Altair w celu wykonania zaawansowanych analiz. Dla każdego typu maszyny proponowana jest topologia początkowa lub dostęp do wcześniej analizowanych projektów
  • Part Library – Zarządzanie komponentami maszyn (np. żłobki, magnesy). Możliwość wyboru, modyfikacji lub tworzenia części.
  • Materials – Baza danych materiałów. Możliwość przeglądania, wyboru, modyfikacji lub tworzenia materiałów.
  • Script Factory – Umożliwia sterowanie FluxMotor za pomocą skryptów w języku Python. Obsługuje zautomatyzowane projektowanie eksperymentalne.
  • Units – Umożliwia wybór jednostek dostępnych w oprogramowaniu.
  • User Preferences – Ustawienia preferencji użytkownika.

Definicja i modelowanie maszyny- geometria, magnesy, uzwojenia, chłodzenie.

Motor Factory to centralne środowisko do definiowania geometrii oraz parametrów fizycznych silnika elektrycznego, składające się z trzech kluczowych obszarów:

  • Obszar projektowania – służy do tworzenia projektu silnika, obejmującego m.in. topologię, uzwojenie oraz dobór materiałów.
Obszar do projektowania silnika (topologia, uzwojenia, magnesy, chłodzenie, materiały)

  • Strefa testowa – przeznaczona do wykonywania testów oraz analizy wydajności silników.
Widok obszaru testowego do przeprowadzania testów i analizy wydajności silników

  • Obszar eksportu – umożliwia eksport dokumentacji lub modeli w celu realizacji zaawansowanych badań.
Widok obszaru exportu do eksportowania dokumentów lub modeli w celu przeprowadzania dalszych analiz

Motor Factory to centralne środowisko definiowania geometrii i parametrów fizycznych silnika elektrycznego. Użytkownik może określić topologię, obudowę, wał, magnesy, uzwojenia oraz układy chłodzenia. Każdy z tych elementów może być parametryzowany, co pozwala łatwo modyfikować projekt i analizować różne warianty konstrukcyjne. Zdefiniowane komponenty są powiązane z bazą materiałową, co umożliwia dokładniejsze odwzorowanie właściwości fizycznych maszyny. Tak przygotowany model stanowi podstawę do dalszych analiz elektromagnetycznych, termicznych oraz NVH.

Testowanie i ocena parametrów – predefiniowane testy, analiza wyników.

Altair FluxMotor oferuje dedykowane środowisko testowe (sekcja TEST w aplikacji Motor Factory), które umożliwia ocenę wydajności projektowanych maszyn elektrycznych. Dzięki wbudowanym, predefiniowanym testom, użytkownicy mogą szybko i efektywnie analizować charakterystyki elektromagnetyczne, termiczne oraz mechaniczne swoich konstrukcji.

Widok testów dostępnych dla wybranego typu silnika (IPM)

W FluxMotor dostępne są różnorodne testy, pogrupowane w tzw. rodziny testowe, odpowiadające konwencjom pracy silnika lub generatora. Dla maszyn synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM) dostępne są m.in.:

  • Characterization tests: testy obwodu otwartego (open circuit), analiza momentu zaczepowego (cogging torque), analiza napięcia wstecznego (Back-EMF), charakterystyki prądowo-napięciowe (I–U) oraz mapy momentu obrotowego.
  • Punkty robocze: analiza prądu, strumienia, momentu i prędkości obrotowej w funkcji napięcia i częstotliwości (I–Ψ–N, T–N, I–U), zarówno w trybie silnikowym, jak i generatorowym.
  • Mapowanie wydajności: wyznaczanie map sprawności silnika i generatora w szerokim zakresie prędkości i obciążeń.
  • Mechanika: analiza hałasu i drgań (NVH) w wybranych punktach roboczych oraz analiza widmowa i spektrogramy drgań.

Wszystkie wyniki testów są automatycznie generowane i prezentowane w przejrzysty sposób. Użytkownicy mogą korzystać z wbudowanego komparatora, który umożliwia porównanie różnych wariantów maszyn, co ułatwia wybór optymalnej konstrukcji.

Dodatkowo, FluxMotor oferuje możliwość eksportu, który służy do zestawienia rezultatów prac projektowych i testowych w formie spójnego raportu. Umożliwia ona uporządkowane przedstawienie wszystkich etapów analizy i weryfikacji maszyny. Gotowy raport można łatwo wygenerować i zapisać jako plik PDF lub HTML, a następnie przypisać do danego silnika w katalogu Motor Catalog albo udostępnić bezpośrednio w panelu raportów.

Analizy wielofizyczne – EM, termika, NVH

Projektowanie nowoczesnych maszyn elektrycznych wymaga nie tylko odpowiedniego doboru geometrii i materiałów, ale także weryfikacji zachowania maszyny w różnych warunkach fizycznych.

W tym kontekście, Altair FluxMotor oferuje środowisko wielofizyczne, które integruje analizy elektromagnetyczne, termiczne oraz NVH. Pozwala to na wczesną ocenę projektowanej maszyny, umożliwiając szybkie iteracje konstrukcyjne jeszcze przed wykonaniem prototypu.

Przykłady wyników analiz EM, termicznej, NVH oraz exportu

Analizy Elektromagnetyczne

Analiza elektromagnetyczna stanowi podstawę oceny wydajności silników elektrycznych. Wszystkie obliczenia są prezentowane w formie przejrzystych wykresów i map, dzięki czemu projektant może od razu interpretować wyniki bez konieczności dodatkowej obróbki danych.

Przykładowe wyniki analizy elektromagnetycznej silnika elektrycznego: mapy sprawności, charakterystyki moment-prędkość oraz rozkłady prądów

Testy charakterystyki (Characterization Tests)

W FluxMotor testy te można podzielić na trzy główne kategorie w kontekście analizy EM, odpowiadające różnym etapom projektowania i oceny maszyny.

Celem testów jest identyfikacja podstawowych parametrów maszyny. W tej kategorii wyróżnia się trzy typy testów:

  • Open circuit – testy bez wzbudzenia, obejmujące pomiar momentu zaczepowego (cogging torque) oraz napięcia wstecznego (Back-EMF). Pozwala to ocenić zachowanie maszyny w stanie spoczynku i właściwości elektromagnetyczne wirnika. 
Przebieg momentu zaczepowego (cogging torque) w funkcji położenia kątowego wirnika
  • Model – tworzenie map maszyny w funkcji prądów w osiach d–q. Takie mapy są wykorzystywane do budowy modeli uproszczonych (reduced order models) do szybkich symulacji systemowych.
Zestaw parametrów uzwojeń i magnesów wraz z mapą strumienia magnetycznego w osi D (D-axis flux linkage) w obszarze prądów fazowych Jd-Jq
  • Data sheet – określenie punktu bazowego lub znamionowego maszyny (base lub rated) oszacowanie jej osiągów przy maksymalnie dopuszczalnym napięciu i prądzie.
Przebiegi napięć fazowych w funkcji czasu

Testy punktów pracy (Working Point Tests)

Testy te służą do oceny zachowania maszyny w konkretnych warunkach eksploatacyjnych. Wzbudzenie może być realizowane w formie przebiegu sinusoidalnego lub prostokątnego, co pozwala sprawdzić parametry prądowe, momentowe i napięciowe w wybranych punktach pracy, zarówno w trybie silnikowym, jak i generatorowym.

Rozkład gęstości strumienia magnetycznego w szczelinie powietrznej w funkcji położenia wirnika oraz analiza harmonicznych

Testy mapowania wydajności (Performance Mapping Tests)

Mapowanie wydajności umożliwia analizę pracy maszyny w całym obszarze moment–prędkość. Dzięki tym testom można wygenerować m.in. charakterystyki moment–prędkość oraz mapy sprawności, co pozwala ocenić efektywność i ograniczenia maszyny w różnych warunkach obciążenia.

Mapa sprawności silnika

Dzięki tym funkcjonalnościom inżynierowie mogą dokładnie analizować charakterystyki elektromagnetyczne, szybko testować warianty konstrukcyjne i podejmować świadome decyzje projektowe, minimalizując potrzebę tworzenia fizycznych prototypów.

Analizy termiczne

FluxMotor umożliwia przeprowadzanie analiz termicznych maszyn elektrycznych, integrując je z wynikami obliczeń elektromagnetycznych. Analiza termiczna pozwala na ocenę temperatury pracy elementów maszyny, identyfikację potencjalnych punktów przegrzewania oraz oszacowanie wpływu temperatury na parametry elektromagnetyczne.

Analizy termiczne w FluxMotor opierają się na dwóch głównych podejściach: 1D Thermal i 2D FEA (Finite Element Analysis).

Rodzaje testów termicznych:

  • Steady-state thermal– Test ustalonego stanu cieplnego w maszynach elektrycznych pozwala ocenić, w jaki sposób parametry elektromagnetyczne wpływają na rozkład temperatury i zachowanie termiczne urządzenia. W ramach tego badania definiuje się punkt pracy cieplnej, określony przez prędkość obrotową oraz zestaw strat, obejmujący m.in. straty Joule’a w stojanie, straty w rdzeniu stojana i wirnika, straty w magnesach oraz straty mechaniczne. Na tej podstawie generowane są mapy temperatury w przekroju radialnym i osiowym oraz tabele temperatur, a także wyznaczane są kluczowe parametry cieplne maszyny.

Test uwzględnia również warunki chłodzenia, takie jak temperatura otoczenia i temperatura medium w obiegu chłodzenia, co pozwala realistycznie odwzorować rzeczywiste warunki pracy maszyny.

  • Transient thermal- Test przejściowy stanu cieplnego służy do oceny, jak parametry elektromagnetyczne maszyny wpływają na jej zachowanie termiczne w warunkach dynamicznych. W tym podejściu definiuje się punkt pracy cieplnej, określony przez prędkość obrotową oraz zestaw strat, a następnie symuluje się nagrzewanie maszyny w czasie, aby określić końcową temperaturę, przyrost temperatury oraz stałą czasową układu cieplnego.

Do przeprowadzenia testu niezbędne są dane dotyczące prędkości, strat, maksymalnego czasu symulacji oraz kroku czasowego. Uwzględniane są również parametry chłodzenia, takie jak temperatura otoczenia i temperatura medium w obiegu chłodzenia, co pozwala wiernie odwzorować rzeczywiste warunki eksploatacyjne.

Wyniki analizy obejmują mapy temperatur w przekroju radialnym i osiowym, tabelę końcowych temperatur, przebieg przyrostu temperatury w czasie oraz zestawienie pojemności cieplnej i stałych czasowych.

Ocena NVH

Analiza hałasu i drgań (NVH) stanowi istotny element oceny maszyn elektrycznych, pozwalający przewidzieć ich zachowanie akustyczne i mechaniczne już na wczesnym etapie projektowania. W FluxMotor testy NVH dzielą się na dwa główne typy: punktu pracy oraz spektrogramu.

Rodzaje testów NVH:

  • Working Point- Test NVH w punkcie pracy (Working Point) pozwala ocenić zachowanie maszyny przy określonym punkcie roboczym, zdefiniowanym przez wartość prądu, kąt sterowania i prędkość obrotową. Test dostarcza danych umożliwiających wczesną predykcję poziomu hałasu i drgań w procesie projektowania. W ramach testu generowane są wyniki elektromagnetyczne, modalne, mocy akustycznej promieniowanej oraz siłach działających na zęby maszyny.
  • Spectrogram- Test NVH w postaci spektrogramu pozwala przeprowadzić analizę hałasu i drgań maszyny przy zestawie wybranych punktów roboczych. Punkty te mogą być określone przez użytkownika na podstawie wartości prądu, kąta sterowania i prędkości lub przez punkty moment–prędkość, automatycznie dopasowane do charakterystyki pracy maszyny.

Do wykonania testu niezbędne są dane wejściowe określające zestaw punktów pracy lub maksymalne wartości napięcia i prądu, tryb sterowania (moment lub prędkość) oraz maksymalną prędkość. Test uwzględnia również wpływ temperatury uzwojeń, straty mechaniczne oraz parametry sterowania, dzięki czemu symulacja realistycznie odwzorowuje warunki eksploatacyjne. Wyniki obejmują dane elektromagnetyczne, analizę modalną i efektywność promieniowania, spektrogramy promieniowanej mocy akustycznej, analizę harmonicznych (order cut) oraz zależność mocy akustycznej od prędkości obrotowej.

Oba typy testów NVH pozwalają projektantom wcześnie identyfikować potencjalne źródła hałasu i drgań, co ułatwia optymalizację konstrukcji i zwiększa komfort pracy urządzenia w docelowych warunkach eksploatacyjnych.

Zaawansowane integracje i eksport- Flux 2D, HyperStudy, FMU.

FluxMotor wyposażony jest w obszar eksportu, który umożliwia przenoszenie danych, modeli i wyników projektowych do różnych formatów i narzędzi. Funkcje eksportu są pogrupowane w trzy główne rodziny:

Widok obszaru exportu do eksportowania dokumentów lub modeli w celu przeprowadzania dalszych analiz

1. Dokumenty (Documents)

  • Report– generowanie raportów w formacie PDF lub HTML, obejmujących wszystkie informacje o modelu, wybranej konstrukcji oraz przeprowadzonych testach. Raporty stanowią kompletną dokumentację projektu, przydatną do analizy wyników oraz w celach technicznych i marketingowych.
  • Script– tworzenie i eksport skryptów w języku Python, które odwzorowują aktualny model maszyny. Skrypty można załadować w aplikacji Script Factory lub zapisać w wybranym folderze, co umożliwia automatyzację kolejnych analiz lub eksperymentów projektowych.

2. Narzędzia zaawansowane (Advanced Tools)

  • HyperStudy– eksport konektora do przeprowadzania badań projektowych typu DOE (Design of Experiments) oraz optymalizacji parametrów maszyny. Pozwala na automatyczne iteracje i analizę wielu wariantów konstrukcji w celu znalezienia optymalnych rozwiązań.
  • Flux– eksport modelu do środowiska AltairFlux w wersjach 2D, Skew lub 3D, umożliwiający zaawansowane analizy elektromagnetyczne, zarówno w trybie statycznym (magnetostatic), jak i dynamicznym (transient). Dzięki temu możliwe jest przeprowadzanie szczegółowych symulacji zjawisk, które nie są uwzględniane w wstępnych analizach koncepcyjnych.

3. System

  • Eksport danych w formatach FMU lub MAT, umożliwiający wykorzystanie modeli w narzędziach do symulacji systemowej lub obwodowej, takich jak Altair Twin Activate lub PSIM.

Podsumowanie – korzyści i zastosowania przemysłowe

FluxMotor jest wszechstronnym narzędziem do projektowania i analizy maszyn elektrycznych, łączącym funkcje koncepcyjnego projektowania, analiz elektromagnetycznych, termicznych i NVH, a także zaawansowane opcje eksportu i integracji z innymi narzędziami Altair.

Dzięki automatycznym bibliotekom komponentów, parametryzacji i gotowym testom, inżynierowie mogą szybko tworzyć nowe projekty, oceniać ich charakterystyki i porównywać różne warianty jeszcze przed wykonaniem prototypów. Analizy elektromagnetyczne umożliwiają wyznaczenie momentu obrotowego, napięcia wstecznego, strat i map sprawności, natomiast sprzężenie z analizami termicznymi pozwala uwzględnić wpływ temperatury pracy na parametry maszyny.

FluxMotor wspiera również zaawansowane integracje i eksport, pozwalając na przenoszenie modeli do Flux 2D/3D, Flux Skew, HyperStudy oraz środowisk systemowych i obwodowych (FMU, MAT, Twin Activate, PSIM). Dzięki temu projektanci mogą prowadzić analizy i optymalizacje, a także integrować wyniki z całym cyklem projektowym maszyn elektrycznych.

Podsumowując, FluxMotor umożliwia:

  • szybkie i intuicyjne projektowanie maszyn elektrycznych,
  • automatyczną i precyzyjną analizę elektromagnetyczną, termiczną i NVH,
  • integrację z zaawansowanymi narzędziami symulacyjnymi i optymalizacyjnymi,
  • efektywne zarządzanie projektami i dokumentacją.