快速跟踪下一代电力牵引电机

Eng。Luca Boscaglia，博士候选人-汽车应用电机设计师，查尔姆斯理工大学，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的、具有扭矩密度的大功率电力牵引电机，这将有助于列车更高效地运行，消耗更少的燃料，产生更少的排放，并降低整体能源消耗。

为了实现这一目标，必须改进电机的热性能。但这并不容易，因为大都市列车通常只有一个狭小的、密闭的环境来容纳发动机。因此，电机变得越来越紧凑，并要求在相同的体积下产生更多的功率，从而减少冷却空间。此外，电机必须能够提供指定的功率，而不过热的关键部件和降低运行效率。在设计阶段早期，没有一个成熟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，由ABB、Ansys和都灵理工大学组成的团队转向了万博万博Ansys流利它提供了极高的建模精度，使工程师能够评估关键部件的热点，包括末端绕组、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。通过将Fluent与万博Ansys Twin Builder 's采用动态降阶建模(ROM)，可以快速准确地分析电力牵引电机全占空比的热行为。

ROM为团队提供了一种快速获得热性能结果的方法。这使得ABB工程师能够检查电机模型，选择随机操作参数，并快速演示牵引模型的响应行为。通常，使用传统的求解器，这将需要数小时甚至数天。使用动态ROM，工程师在几毫秒内就完成了这个任务。

在Fluent中创建设计

后万博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中，以测量流体体积和固体部件在稳态下的热分布。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，单次共轭传热(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操作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，要求工程师检查网格单元的质量。相反，Fluent Mosaic网格完成了大部分繁重的工作，同时将元素保持在最低限度，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)。在超过32个核心上模拟全占空比(全瞬态仿真)需要17天才能生成精度高达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中万博构建ROM

ROM是一个简化的、压缩版本的参考模型，减少了优化和模拟复杂系统所需的时间，同时保持基本的准确性。与具有相同精度的参考模型相比，ROM能够以10到100倍的速度探索设计替代方案，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后，他们用ROM对其进行了测试。当电机原型在轨道上运行时，他们并行地实时运行电机的仿真模型。这对于传统的求解器来说是不可能的，因为它至少需要数小时才能运行。相反，ROM以毫秒为单位运行模拟，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，因为工程师需要捕捉电机的热响应，以预测电机在全占空比中大量随时间变化的操作条件下的热行为。

运行动态ROM是工程师理解电机行为的关键，因为在典型的占空比中，它根据热惯性和各种瞬态效应提供了不同程度的功耗。例如，假设一列地铁从第一站开始行驶。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车点。在这些阶段中，几个电机部件的温度不断变化，并且变化不同，当地铁穿过一个城市时，这一过程沿着轨道重复10到20站。当列车停靠时，电机停止工作，其不断变化的热负荷必须冷却下来。

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，从穿越上山和下山到管理湿滑的轨道。

在对模型进行了广泛的优化之后，主要工程师能够在短短几毫秒内运行ROM，为自己节省了大量的时间，而无需以速度换取精度。事实上，ROM在估计电机热性能方面的偏差与全阶参考模型相比小于1℃。

瞬态热响应的CFD和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到的数据进行比较。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%的误差范围内，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模型中的温度吻合良好。万博

一旦原型电机和ROM完成，工程师们就会将两者进行对比。当原型发动机在赛道上行驶时，工程师们将它与ROM对应的型号进行了比较。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，表明模型的误差在5%范围内，ABB工程师现在有了一个模板模型程序，可以用于优化未来电机的热设计。

这些数据被用来创建一个模型，以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的物理原型的数量，将计算时间从几天和几周减少到几秒钟。

引用

本文引用了L. Boscaglia, F. Bonsanto, A. Boglietti, S. Nategh和C. Scema进行的研究:“自通风牵引电机的共轭传热和CFD建模”，2019年IEEE能量转换大会和博览会(ECCE)，美国马里兰州巴尔的摩，2019年，第3103-3109页，doi: 10.1109/ ECCE.2019.8913138