快速跟踪下一代电动牵引电机

Eng。Luca Boscaglia，博士候选人-汽车应用电机设计师，Chalmers理工大学，哥德堡，瑞典

当你听到火车沿着轨道行驶时，牵引马达在驱动这些轮子。铁路系统工程师的任务是创造一种增强型、高功率、具有扭矩密度的电力牵引电机，这将有助于列车更有效地运行，消耗更少的燃料，产生更少的排放，并降低整体能耗。

要做到这一点，必须提高电机的热性能。但这并不容易，因为大都市列车通常只有一个狭小的密闭环境来容纳发动机。因此，电机变得越来越紧凑，需要在相同的体积内产生更多的能量，留下更少的冷却空间。此外，电机必须能够提供指定的功率，而不会使关键部件过热并降低运行效率。在设计阶段的早期，没有一个确定的方法来评估电机的热性能，这是ABB工程师需要克服的一个障碍。

为此，一个由ABB、Ansys和都灵理工大学组成的团队转向了Ansys流利这提供了巨大的建模精度，使工程师能够评估关键部件的热点，包括端绕组，定子槽和转子棒。然而，工程师们需要一种更快的方法来计算热BTU。通过耦合FluentAnsys Twin Builder动态降阶建模(ROM)，可以快速准确地分析牵引电机全占空比的热行为。

ROM为团队提供了一种非常快地获得热性能结果的方法。这使ABB工程师能够检查电机模型，选择随机运行参数并快速演示牵引模型的响应行为。通常，使用传统的求解器，这将需要许多小时甚至几天的时间。使用动态ROM，工程师在几毫秒内完成了这项任务。

在Fluent中创建设计

后Ansys SpaceClaim用于清理计算机辅助设计(CAD)几何图形并提取车队体积以准备模型，ABB工程师将其导入Fluent，以测量稳态下流体体积和固体部件的热分布。在这里，通过利用CFD和传热模型，在不到10分钟的模拟时间内，单个共轭传热(CHT)分析帮助工程师准确预测热性能。这有助于都灵理工大学的分析人员在边界条件和运行条件方面探索几种不同的设计条件，建立参考模型并运行几种设计配置。

通常，预处理阶段是CHT分析中要求最高的阶段，需要工程师检查网格单元的质量。相反，流畅的马赛克网格做了大部分繁重的工作，同时保持元素最少，以驱动快速，准确的结果。

为了使参考模型运行得更快，ABB利用了高性能计算(HPC)。模拟整个占空比-完整的瞬态模拟-在超过32个核心上需要17天才能生成准确率为99%的传统模型。高性能计算在生成机器学习训练数据方面被证明是无价的，工程师们用这些数据来构建ROM。

在Ansys Twin Builder中构建ROM

ROM是参考模型的简化压缩版本，可以减少优化和模拟复杂系统所需的时间，同时保持基本的准确性。探索设计替代方案的速度比参考模型快10到100倍，具有相似的精度，ROM能够在具有大量工作点的占空比中实现电机热行为的高置信度预测。

在工程师们正确地设计、制造和部署了电机的物理原型之后，他们用ROM对其进行了测试。当原型沿着轨道运行时，他们并行地实时运行了电机的仿真模型。这对于传统的求解器来说是不可能的，因为它至少需要几个小时才能运行。相反，ROM在几毫秒内运行模拟，因此工程师可以预测任何电机故障并实时改进操作。

动态ROM主要用于瞬态仿真，因为工程师需要捕获电机的热响应，以预测电机在整个占空比期间的热行为，并且随着时间的推移，运行条件会发生大量变化。

运行动态ROM是工程师了解电机行为的关键，因为在典型的占空比中，它会根据热惯性和各种瞬态效应提供不同水平的功耗。例如，考虑从第一站开始移动的地铁列车。首先是加速阶段，接着是巡航阶段，然后是刹车阶段，以达到下一个预定的停止。在这些阶段，几个电机部件的温度连续而不同地变化，当地铁穿过一个城市时，这个过程沿着轨道重复10到20站。当火车停车时，电机停止，其变化的热负荷必须冷却。

最终，动态ROM提供了对火车可能遇到的无数操作场景的洞察，从上下山丘的穿越到湿滑轨道的管理。

经过对模型的广泛优化，主要工程师能够在几毫秒内运行ROM，节省了大量的时间，而不需要以速度换取准确性。事实上，ROM在估计电机热性能时与全阶参考模型的偏差小于1℃。

瞬态热响应的CFD与ROM比较

验证设计

接下来，ABB工程师进行了实验温度测量，将完整的CHT结果与从原型电机热电偶传感器接收的数据进行比较。ABB发现，实验结果与模型测量的冷却剂(空气)质量流量之间的偏差在5%以内，证明了CFD分析的准确性。ABB工程师还证明，在实验装置中测量的稳态温度与Ansys模型中的温度非常吻合。

一旦原型电机和ROM完成后，工程师们将两者相互对照。当原型马达在赛道上疾驰时，工程师们将其与ROM版本进行了比较。由于对原型的热模型进行了测试，并对CFD和传热进行了验证，表明模型误差在5%范围内，ABB工程师现在有了一个模板模型程序，可以用来优化未来电机的热设计。

这些数据被用来创建一个模型来预测未来机器在设计阶段的热行为。因此，开发团队可以从根本上减少构建物理原型的数量，将计算时间从几天或几周减少到几秒钟。

引用

本文引用L. Boscaglia, F. Bonsanto, A. Boglietti, S. Nategh和C. Scema的研究:“自通风牵引电机的共轭传热和CFD建模”，2019年IEEE能源转换大会与博览会(ECCE)，巴尔的摩，马里兰州，美国，2019,pp. 3103-3109, doi: 10.1109/ ECCE.2019.8913138