仿真 App 助力 ABB 牵引电机公司实现数字化

Daniel Ericsson 2019年 2月 26日

工业 4.0 和数字孪生是我们每天听到的流行语。一个公司如何在这方面发展,COMSOL 如何在新时代发挥作用呢?本文我们将探讨一个用户的成功案例:ABB 牵引电机公司将仿真 App 用于电机设计来实现大规模定制。通过将高保真多物理场模型转化为仿真 App,ABB 公司计划为产品设计和销售等多个部门提供新的分析功能。

ABB 牵引电机公司的电动机

电动机的作用变得越来越重要,根据国际能源署(IEA)的数据,它们约占全球电力消耗的 45%。除了改善性能和耐用性之外,对电机设计进行微小的改良就可以节省大量的能源。

ABB 生产电动机已有 100 多年的历史,我们难以想象该公司在悠久的历史中引入了多少种不同的电机设计。与其他东西一样,电机设计仍有继续改进的空间,多年来,ABB 的专业技术人员一直将仿真工具用作产品开发周期的一部分。

运行在各种不同硬件上的仿真 App 的照片。
自通风电动机传热和 CFD 分析的仿真 App。这些 App 用 COMSOL Multiphysics® 软件开发,并通过 COMSOL Server™ 进行部署。App 在 Web 浏览器中运行,而计算则在 ABB 的服务器上执行。

牵引电机是一种用于推进车辆(如火车)的电动机,不同类型的车辆需要不同的条件,每台电机都需要根据客户的具体要求定制。设计人员考虑了位置、启动/停止次数,以及两次停止之间的运行时间(称为工作周期)等因素。

ABB 牵引电机公司为包括铁路和电动交通在内的客户提供电力和自动化技术。为了保持竞争优势,他们努力通过数字化工作流程来缩短产品开发周期。为了向客户提供优质产品,他们必须在保证电机可靠性的同时实现最低能耗。为了成功实现这一承诺,在整个设计过程中使用仿真工具至关重要。

“在过去几年中,能够在构建系统之前预测性能变得越来越重要,这也是我们期望仿真 App 的引入能够发挥作用的地方,”ABB 牵引电机公司全球研发经理 Ola Aglén 博士说,“谈到铁路和电动交通产品,包括公共汽车、卡车、采矿车辆和建筑车辆,考虑工作周期和客户的要求是至关重要的”。

计算时间和精度

ABB 牵引电机公司启动了一个名为 NG Design Tool 的新项目,以创建一个易于使用的软件工具,可以预测牵引电机在不同运行条件和工作周期下的温度。该项目由 ABB 牵引电机公司高级研发工程师兼项目负责人 Shafigh Nategh 博士领导。意大利都灵理工大学、瑞典查尔姆斯理工大学和瑞典皇家理工学院的专业技术人员和学生应邀共同应对这一挑战。

“为了能够运行具有这种工程复杂性的项目,拥有合适的工具合作伙伴非常重要。在 ABB 牵引电机公司,我们与可靠的工具供应商合作,支持我们为客户提供更好的服务。COMSOL 能够加入这个项目,我们非常高兴,”Shafigh Nategh 博士说,“通过多物理场仿真,我们能够探索不同组件如何协同工作; 将高保真模型转变为数字孪生或仿真 App 的功能就更不用说了。”

牵引电机使用不同的冷却系统,如参考文献 1 中所述:冷却系统可以是液冷,也可以是气冷。气冷电机可以是开放式,封闭式或半封闭式。当风扇安装在电机轴上时,这称为自动通风。另一种选择是使用外部风扇。

为了正确预测这两种情况下的温度,我们需要执行 CFD 仿真,以了解电机不同部分的气流。CFD 仿真可能非常耗时,特别是当时间尺度有很大差异时更是如此。就牵引电机来说,转速从零到大约 6000 转/每分不等,工作周期可持续数小时。简而言之,时间范围从毫秒到小时。

为了求解这种水准的涉及带滑动网格和湍流的旋转部件的模型,ABB 牵引电机公司的团队必须找到一种方法来缩短仿真时间,同时保持精度。在项目开始时,他们设定了很高的目标,要求 CFD 模型的精度与测量数据相比超过 95%。结果表明,在标准计算机上,数值仿真可在大约 30 分钟内超出精度目标。

节省时间:冻结转子方法

通过使用 CFD 模块中包含的冻结转子方法,ABB 牵引电机公司的团队能够节省数小时的计算时间。为了全面了解电机在不同转速下的冷却特性,他们发现模拟空气在特定转速下的静止特性足以描述所有转速下的冷却特性,从而不再需要对带有滑动网格的瞬态湍流执行耗时的仿真。

显示电动机中流体流动仿真的图像。
用于模拟自通风电机内部流体流动的有限元网格

用 COMSOL Multiphysics® 模拟的电动机中气流速度的图像。
在 2500 转/分的恒定转速下,电机内部的气流速度。

通过 CFD 仿真得到的气流速度随后被导出到传热仿真。如参考文献 2 中所述,电机不同部分的气流被转换为适当的传热系数,这些系数随转速和其他条件而变化。使用 COMSOL Multiphysics 中基于方程建模的内置功能,这一步骤相对容易实现。由于传热模型与 CFD 模型相比自由度较小,并且它使用对称条件,因此求解速度非常快,即使对于瞬态工作周期也是如此。

仿真 App 扩展了建模的用途

研发团队对模型和结果感到满意后,他们会启动项目的下一阶段:将他们的专业知识转化为仿真 App。借助 COMSOL Multiphysics 中的“App 开发器”,研发团队能够根据最终用户的需求将他们的知识打包到定制仿真 App 中。这样,包括产品设计和销售在内的其他部门可以在制作物理样机之前针对其特定需求测试不同配置,并选择最佳解决方案。

仿真 App 通过 COMSOL Server™ 上传到 ABB。借助 COMSOL Server™,任何在 ABB 内部网络上拥有帐号并拥有特定 App 访问权限的人都可以立即使用这些 App。由于 COMSOL Server™ 包含管理用户帐户、用户组和权限的工具,因此研发团队可以控制被授予访问权限的人员。所以,运行 App 的唯一要求是具有 ABB 的有效 COMSOL Server™ 用户帐户和 Web 浏览器。而运算,是在连接到 COMSOL Server™ 的集群节点上完成的。

通过这种设置,ABB 牵引电机公司的研发团队使 App 用户能够访问 COMSOL Multiphysics 中强大的仿真技术。App 的最终用户可以是牵引电机方面的专业人员,而不必成为数值仿真方面的专业人员。

“通过仿真 App 为我们的销售人员提供支持,将在做好与做到最好之间起到很大作用,”ABB 牵引电机公司铁路和电动交通全球产品经理 Björn Larsson 说,“仿真 App 将我们的研发工作带到董事会或潜在客户面前,从而实现透明并实时解决问题”。

后续操作

了解 COMSOL Server™ 如何帮助组织部署仿真 App 并实现数字化:

参考文献

  1. S. Nategh 等人于 2018 年第十三届国际电机会议 上发表的“Review and Trends in Traction Motor Design: Electromagnetic and Cooling System Layouts”
  2. S.Nategh 等人发表在《IEEE 工业电子汇刊》2019 版上的 “Transient Thermal Modeling and Analysis of Railway Traction Motors“,第 79-89 页,第 66 卷,第 1 部分。

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