Ansys en la construccion de trenes motrices electricos (Parte 1)

Para celebrar la construcción de una nueva fábrica de baterías aquí en la Comunidad Valenciana, vamos a lanzar una serie de posts con detalles de cómo el software Ansys interviene en todo el proceso de fabricación de trenes motrices para vehículos eléctricos y electrificados.

HAZ ELECCIONES DE MATERIALES MÁS INTELIGENTES PARA TU TREN MOTRIZ ELECTRIFICADO

Para ejemplificar el impacto que los materiales pueden tener en un tren motriz electrificado, esta sección desglosa los elementos centrales del tren motriz BEV. Se pueden aplicar varias herramientas y soluciones de Ansys Granta para ayudar a los ingenieros a abordar el desafío descrito anteriormente. Luego, estas soluciones se aplican a un nivel multifísico con los solucionadores de Ansys más relevantes para brindar una visión general holística.

MOTORES ELÉCTRICOS

A pesar de ser una parte relativamente pequeña del costo general del tren motriz BEV, hacer que el motor eléctrico sea el correcto es fundamental para el rendimiento y la eficiencia, ambos diferenciadores en el mercado. Los datos de materiales para varios componentes del motor, ​​desde los devanados del estator, el aislamiento térmico y los ejes del rotor, se pueden encontrar en nuestro conjunto de datos de materiales dependientes de la temperatura de Ansys MaterialUniverse™ y JAHM (incluido con Ansys Granta Selector y Ansys Granta MI ™) y en Ansys Granta Advanced Materials: conjuntos de datos de polímeros, metales y compuestos.

Un desafío al que se enfrentan muchos ingenieros cuando diseñan motores es el calor. Específicamente, las temperaturas más altas pueden reducir el «punto de inflexión» en las curvas de desmagnetización (o curva de histéresis) de los imanes permanentes. Ir más allá de este punto provoca daños irreversibles en el imán, lo que lleva a una reducción en el rendimiento del motor. Los datos sobre estas curvas a diferentes temperaturas están disponibles en Ansys Granta Advanced Materials — Electromagnetic, que puede usar con solucionadores de simulación electrónica como Ansys Maxwell.

El diseño de motores de flujo axial en particular presenta a los ingenieros desafíos mecánicos y térmicos, donde una comprensión holística de las fuerzas electromagnéticas (EM) y las propiedades del material se vuelven muy importantes. Las fuertes fuerzas magnéticas que operan entre el rotor y el estator hacen que mantener espacios de aire uniformes y de alta tolerancia entre estos dos componentes sea crítico, mientras que la ubicación de los devanados en lo profundo del estator y entre los dos discos del rotor plantea un problema de enfriamiento mayor. Comprender las propiedades del material dependiente de la temperatura para estos componentes dentro de este tipo de ensamblaje de motor se convierte en un aporte importante para cualquier simulación precisa.

Parte de la oferta principal de Granta son los datos dependientes de la temperatura de JAHM, con más de 18 000 registros para más de 8500 materiales diferentes (polímeros, metales, cerámicas, compuestos, etc.). Hay disponibles treinta y dos propiedades clave diferentes (muchas de ellas dependientes de la temperatura), que incluyen tensión-deformación, expansión/conductividad térmica, capacidad calorífica específica, curvas de fatiga S-N y propiedades eléctricas y magnéticas.

Materiales Magnéticos de Ansys. Específicamente para simulación de motores eléctricos

Los componentes clave son los imanes en el rotor. La información sobre estos imanes se puede encontrar en Granta Advanced Materials: conjunto de datos electromagnéticos (nuevo en la versión Ansys 2022 R1):

• + Más de 650 registros de aleaciones magnéticas blandas
• + Más de 1300 registros de imanes permanentes

Dentro de las herramientas Granta MI™ y Granta Selector, hay información sobre grados específicos de imanes, con la capacidad de seleccionar y comparar una variedad de propiedades de materiales:

• + Magnético: coercitividad, remanencia, curva B-H y pérdida de núcleo
• + Mecánica: módulo de Young, límite elástico, resistencia a la tracción, elongación y relación de Poisson
• + Densidad
• + Térmica: conductividad, capacidad calorífica específica, coeficiente de expansión térmica y temperatura máxima de servicio
• + Eléctrico: conductividad y resistividad

La solución multifísica de Ansys

El acceso nativo a Granta MI™ y sus datos dentro de Maxwell, junto con el acceso a Ansys Mechanical a través del módulo de datos de ingeniería de Ansys Workbench, le brinda rápidamente datos precisos sobre las propiedades de los materiales para una variedad de materiales magnéticos, metálicos o poliméricos utilizados en la diseño, análisis y verificación de un motor eléctrico. Esta conexión garantiza la trazabilidad completa de los datos hasta el registro de materiales y las fuentes de datos estadísticos y de prueba. La tarjeta de material se importa al proyecto local y luego se puede usar y asignar en consecuencia. Esta información también se puede exportar fácilmente desde Granta Selector.

El uso de Ansys Multiphysics para optimizar un motor BEV no es nuevo. El equipo de Lucid Motors, un OEM de vehículos electrónicos de lujo, utilizó Maxwell para el diseño y análisis de motores eléctricos, actuadores, sensores, transformadores y otros dispositivos electromagnéticos y electromecánicos.

Maxwell se utilizó para determinar las pérdidas electromagnéticas en el motor. Workbench integró estas pérdidas con una simulación Ansys Fluent para determinar las temperaturas en todo el motor. Mediante simulación, los ingenieros de Lucid Motors aumentaron la densidad de potencia y la eficiencia energética del motor en un 12 % mediante una combinación de Maxwell, Mechanical y Fluent.