行业4.0和数字双胞胎是我们每天听到的流行语。但是，公司走了多远，在新时代如何发挥作用？在这里，我们将研究一个成功的案例，ABB牵引电机打算通过使用用于电动机设计的仿真应用程序来提供大规模定制。通过将高保真多物理模型变成仿真应用程序，计划将提供新的分析功能，从产品设计到销售。
ABB牵引电动机的电动机
电动机的使用变得越来越突出，根据国际能源机构（IEA）的说法，它们约占全球功耗的45％。除了提高性能和耐用性外，电动机设计的微小变化还会导致巨大的能源节省。
ABB生产了100多年的电动机，我们只能想象整个公司悠久的历史中已经引入了多少种不同的电动机设计。与所有事物一样，还有很多年来，ABB的专家多年来一直将模拟工具作为产品开发周期的一部分。
用于自动化电动机的传热和CFD分析的模拟应用。这些应用程序是使用ComsolMultiphysics®软件构建的，并使用Comsol Server™部署。这些应用程序是在Web浏览器中运行的，而计算则在ABB的服务器上执行。
牵引电机是用于推进车辆的电动机，例如火车。不同的车辆类型需要不同的条件，并且每个电动机均经过量身定制以满足各个客户规格。诸如位置，开始/停止次数以及在每个停止之间（称为占空比）之间运行的因素都考虑到设计。
ABB牵引电机为从铁路到电子机动性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减少产品开发周期。为了为客户提供出色的产品，他们必须在马达的可靠性上执行最低的能耗。乐动体育app无法登录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。
ABB Traction Motors全球R＆D经理OlaGlén博士说：“在过去的几年中，能够在建立系统之前预测性能变得越来越重要，这是我们期望引入模拟应用程序会有所作为的地方。”“当涉及铁路和电子运输产品时，包括公乐动体育app无法登录共汽车，卡车，采矿车辆和建筑车辆，考虑到值班周期和客户的要求至关重要。”
计算时间和准确性
ABB牵引电机启动了一个名为NG Design Tool的新项目，以创建一个易于使用的软件工具，该工具可以在不同的操作条件和占空比期间预测牵引电机中的温度。该项目由ABB Traction Motors研发高级工程师兼项目负责人Shafigh Nategh博士领导。邀请了来自意大利的Politecnico di Torino，Chalmers技术大学和瑞典皇家理工学院的专家和学生一起解决这一挑战。
“为了能够以这种工程级别的复杂性运行项目，拥有合适的工具合作伙伴很重要。在ABB牵引电机中，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。我们很高兴我们在这个项目中有Comsol，” Shafigh Natech博士说。“多物理模拟使我们能够探索不同的组件如何一起工作；更不用说将高保真模型变成一个的能力数字双胞胎或模拟应用程序。”
牵引电机使用不同的冷却系统，如参考。1：它们可以被液冷且风冷。气冷电动机可以是开放，封闭或半隔离的类型。当风扇安装在电动机的轴上时，这被称为自动化。另一个选择是使用外部风扇。
为了在两种情况下正确预测温度，需要进行CFD模拟以了解电动机不同部分的气流。CFD模拟可能很耗时，尤其是当时间尺度的差异很大时。在牵引电动机的情况下，旋转速度从零到6000 rpm的变化，其占空比可以持续数小时。简而言之，时间尺度范围从毫秒到小时。
为了解决该口径的模型，该模型涉及带有滑动网格和湍流的旋转零件，ABB牵引电机的团队必须找到一种方法来减少模拟时间，同时保持准确性。在项目开始时，他们设定了较高的目标，需要CFD模型中的准确性水平，而测量数据超过95％。结果表明，在标准PC上，数值模拟超过了大约30分钟的精度目标。
节省时间：冷冻转子方法
通过使用CFD模块中包含的冷冻转子方法，ABB牵引电机的团队能够节省计算时间。为了完整地了解电动机中不同速度的冷却行为，他们发现以某种特定的旋转速度模拟空气的固定行为足以描述所有旋转速度的冷却行为。消除了用瞬时的，湍流流动流动的耗时模拟的需求。
这有限元网格它用于模拟自动通力电动机内部的流体流动。
电动机内部的气流速度以2500 rpm的恒定旋转速度。
然后将来自CFD模拟的气流速度导出到传热模拟。如图所述参考。2。使用内置功能基于方程的建模在Comsol多物理学中，此步骤相对易于实现。由于与CFD模型相比，传热模型的自由度较小，并且使用对称条件，因此即使对于瞬态占空比，它也非常快速地解决。
仿真应用程序扩展了建模的使用
当研发团队对模型和结果感到满意时，他们开始了项目的下一个阶段：将他们的专业知识转换为模拟应用程序。Comsol Multiphysics中可用的应用程序构建器使R＆D团队能够根据最终用户的需求将其知识包装到自定义仿真应用程序中。这为从产品设计到销售的其他部门提供了可能性，以测试其特定要求的不同配置，并在物理原型制作前选择最佳解决方案。
使用COMSOL SERVER™在ABB上上传了模拟应用程序。借助Comsol Server™，该应用程序可立即提供给内部ABB网络上的用户帐户并访问特定应用程序的任何人。R＆D团队控制着谁获得访问权限，因为Comsol Server™包括管理用户帐户，用户组和特权的工具。因此，运行应用程序的唯一要求是ABB和Web浏览器的有效Comsol Server™用户帐户。这些计算是在连接到Comsol Server™的集群节点上运行的。
通过此设置，ABB牵引电机的R＆D团队为应用程序用户提供了访问Comsol Multiphysics中相同强大的仿真技术的可能性。应用程序的最终用户可以是牵引电机的专家，而无需成为数值模拟的专家。
ABB Traction Motors的Rail＆E-Mobility全球产品经理BjörnLarsson说：“通过模拟应用程序赋予我们的销售人员能力将使善与恶之间有所不同。”“仿真应用程序将我们的研发工作带入了董事会或潜在客户，从而可以进行透明和实时解决问题。”
下一步
了解Comsol Server™如何使组织部署模拟应用程序并启用数字化：
参考
- S. Nategh等人，“牵引力设计的审查和趋势：电磁和冷却系统布局”，XIII电机国际会议，2018年。
- S. Nategh等，“”铁路牵引电机的瞬态热建模和分析“，IEEE工业电子交易，卷。66，不。1，第79–89页，2019年。
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