電機(jī)系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生解決方案

電機(jī)系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生解決方案系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生技術(shù)概覽系統(tǒng)仿真&基于仿真的數(shù)字孿生System

SimulationDigitalTwin基于仿真的數(shù)字孿生?

通過集成多學(xué)科系統(tǒng)模型為在運(yùn)營(yíng)中的物理設(shè)備構(gòu)建連接的虛擬副本,為物理設(shè)備的生命周期運(yùn)行體驗(yàn)建立鏡像?支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化、預(yù)測(cè)性維護(hù)和優(yōu)化工業(yè)資產(chǎn)管理虛擬設(shè)備（模型）基于經(jīng)驗(yàn)/理論公式的模型基于數(shù)據(jù)的模型基于三維幾何建模的模型實(shí)際設(shè)備數(shù)字孿生的模型分類設(shè)備使用人員/設(shè)備控制系統(tǒng)基于仿真的模型DigitalTwin(Virtual

Replica)PhysicalAsset

(In-service)傳感器

—一輸入輸出15%收入收益1?

新的商業(yè)模型?

提高生產(chǎn)力和加

速新產(chǎn)品的引進(jìn)?

競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)1.McKinsey&Company:

Five

Keysto

DigitizingAerospace

and

Defense2.CompaniesAviationWeekMRO10%降低成本1?

保修成本降低?

運(yùn)營(yíng)效率?縮短設(shè)計(jì)和開發(fā)周期30%維修周期改進(jìn)2?

提高維護(hù)效率數(shù)字孿生的效益明顯6+虛擬傳感器觀測(cè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)基于物理的精確度，

提高投資回報(bào)率在實(shí)際部署前

進(jìn)行方案演習(xí)實(shí)現(xiàn)惡劣工

況的模擬仿真正被置于數(shù)字孿生實(shí)施的中心/ns

ysSimulation-based

DigitalTwinsIIoT

andDataAnalytics口<>o7構(gòu)建精確、基于物理的仿真模型導(dǎo)出TWIN模型并與IIoT平臺(tái)連接進(jìn)行運(yùn)營(yíng)部署驗(yàn)證和優(yōu)化仿真模型實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生價(jià)值的方案所必須的能力8將孿生體部署到IIoT或邊緣設(shè)備驗(yàn)證Twin

Builder三大主要功能建立基于物理的精準(zhǔn)數(shù)字模型驗(yàn)證和優(yōu)化系統(tǒng)模型系統(tǒng)驗(yàn)證與優(yōu)化構(gòu)建系統(tǒng)模型系統(tǒng)預(yù)測(cè)維護(hù)構(gòu)建部署?把系統(tǒng)模型部署到運(yùn)行環(huán)境提升運(yùn)營(yíng)維護(hù)?通過虛擬傳感器觀測(cè)不易通過傳感器采集的數(shù)據(jù)或場(chǎng)狀態(tài)?

對(duì)設(shè)備的壽命等進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)?

排故方案預(yù)演?把系統(tǒng)模型部署到測(cè)試環(huán)境用于半實(shí)物試驗(yàn)?構(gòu)建虛擬傳感器觀測(cè)不易通過傳感器采集的數(shù)據(jù)或場(chǎng)狀態(tài)?進(jìn)行現(xiàn)實(shí)難以模擬的惡劣工況測(cè)試、故障注入?

測(cè)試及優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行性能?在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期構(gòu)建系統(tǒng)一維模型并驗(yàn)證?通過Modelica、VHDL-AMS等構(gòu)建系統(tǒng)模型?通過特有的三維模型降階技術(shù)把三維模型引入系統(tǒng)仿真?通過因?yàn)槿S模型構(gòu)建精度更高的系統(tǒng)仿真ANSYSTwin

Builder在產(chǎn)品研制過程中的應(yīng)用場(chǎng)景系統(tǒng)一維與三維混合模型仿真系統(tǒng)模型用于虛擬

試驗(yàn)虛擬模型用于設(shè)備

運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)一維模型仿真模型仿真結(jié)果需求需求23:閥門在500us內(nèi)關(guān)閉X功能仿真Postruefalse

0Pmaxt系統(tǒng)仿真(0D)PosPmax0

500us

t高置信度仿真

(3D)-開環(huán)驗(yàn)證ActuatorPos500usPmaxt系統(tǒng)驗(yàn)證(0D-ROM-Ctrl)-閉環(huán)驗(yàn)證Pos0Pmaxt500us一個(gè)不同精度系統(tǒng)仿真例子500us11支持多種建模語言?

支持Modelica,VHDL-AMS,C/C++,SPICE

等語言可擴(kuò)展的多學(xué)科專業(yè)模型庫(kù)?電氣,、電子、機(jī)械、流體、熱力、信號(hào)庫(kù)等與第三方工具(包含1D)集成?

支持FMI/FMU,與ANSYS3D和第三方Model

Exchange&co-

simulation3D降階模型生成與集成?

通過ROM

(Dynamic,Static

and

DX)實(shí)現(xiàn)3D物理模型的簡(jiǎn)化與嵌入式軟件集成?SCADE

Suite,SCADE

Display

等建模階段的優(yōu)勢(shì)與能力?便捷的多源異構(gòu)模型構(gòu)建平臺(tái)?支持多物理、多語言、高保真

模型構(gòu)建系統(tǒng)模型便捷的建模仿真能力HF/Signal

IntegrityANSYS

HFSS/SIwaveElectrical

ParasiticsANSYS

Q3DFluid

DynamicsANSYS

FluentStructuralANSYS

MechanicalEmbeddedSoftware/

HMISCADESuite/SCADE

DisplayRigid

Body

DynamicsANSYS

MechanicalRBDLF

ElectromagneticsANSYS

MaxwellElectronicsCoolingANSYS

IcepakSystemSimulationANSYSTwin

Builder支持各種不同學(xué)科模型的集成及仿真高置信度系統(tǒng)仿真（1D+3D耦合仿真）3D降階模型（置信度高，

計(jì)算速度高）

以系統(tǒng)為主的1D+3D耦合仿真的難點(diǎn)一個(gè)步長(zhǎng)計(jì)算，毫秒級(jí)

一個(gè)步長(zhǎng)計(jì)算，毫秒-幾百毫秒機(jī)1D模型（置信度低，計(jì)

算速度高）集成后處理的多域仿真?

分析和優(yōu)化系統(tǒng)中多學(xué)科組件之間的交互快速人機(jī)界面原型設(shè)計(jì)?

通過功能強(qiáng)大、易于設(shè)計(jì)和交互式的圖形面板增強(qiáng)模擬體驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證和優(yōu)化?

支持DoE、參數(shù)掃描和腳本

(VBA/Python)XiL集成?

支持模型在環(huán)(MiL)和軟件在環(huán)(SiL)在環(huán)工作流程驗(yàn)證階段優(yōu)化與能力?確保產(chǎn)品的可靠性和魯棒性?通過優(yōu)化工具優(yōu)化系統(tǒng)性能?輕松集成與驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證階段:高可靠性與集成優(yōu)化快速連接到受支持的IIoT平臺(tái)?

配置連接器用于連接到IIoT平臺(tái)，發(fā)送和接收操作數(shù)據(jù)?

ANSYS

Twin

Builder使能IIoT的工程預(yù)測(cè)能力導(dǎo)出和部署生成的模型?從Twin

Builder導(dǎo)出可部署可兼容的數(shù)字孿生模型（.twin文件）部署階段優(yōu)勢(shì)與能力?

優(yōu)化運(yùn)營(yíng)?

預(yù)測(cè)性維護(hù)部署部署階段:高效預(yù)測(cè)與診斷System

LibrariesTwin

BuilderSystem

Model+

+

OfflineComputeTwin

Modelforcloud/edgedeployment

Twin

Builder數(shù)字孿生設(shè)計(jì)及部署流程DigitalTwin

PartnersLTI

&

LPVStaticDynamic

ROM

ExtractionCapabilitiesroRrValidated

3D

Physics

ModelsData-

basedFMUfor

Simulation

workflowsTest

DataTwin

ModelforControl

ModelsSoftware,ROM

Solver

ROM

數(shù)字孿生運(yùn)行于云上ANSYS平臺(tái)在云上部署數(shù)字孿生的解決方案物理原型傳感器數(shù)據(jù)ANSYSTwin

Builder導(dǎo)出

的數(shù)字孿生文件試驗(yàn)校正動(dòng)作應(yīng)用校正動(dòng)作傳感器數(shù)據(jù)仿真結(jié)果異常情況虛擬原型分析洞察智能機(jī)械IoT平臺(tái)電機(jī)系統(tǒng)仿真

OUTLINE?

電機(jī)ECE模型的快速仿真

-Twin

Builder+Maxwell?

電驅(qū)系統(tǒng)場(chǎng)路協(xié)同瞬態(tài)聯(lián)合仿真

-Twin

Builder+Maxwell?

逆變器電磁-熱耦合仿真分析-Twin

Builder+Icepak?

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)Coreloss快速仿真

-

Dynamic

ROM應(yīng)用:Twin

Builder+Maxwell?

電驅(qū)系統(tǒng)的EMC仿真

-傳導(dǎo)EMI仿真:Twin

Builder+OtherCAEComponents?

電機(jī)的溫度場(chǎng)快速仿真-

Dynamic

ROM應(yīng)用:Twin

Builder+Maxwell+Fluent?

Motor

Demo1.)Providea

platformtoincludeSystem-leveleffectsandControl-leveldynamics.2.)Beabletochoosethe

level

offidelityfor

keycomponentsphysicsbased

models.3.)Usecontrols

software,and

externalsimulators.4.)Easilyswap

keycomponentsandsub-systemmodels.Switching

power

supplyCPU,ASIC,

MemoryController電機(jī)系統(tǒng)介紹N0121N0132

N0131

N0130

N0129

N0128

N0134

N0135N0125

N0133ACMVariableVoltage/

FrequencyConverterInverterControlcircuit(PCB)PowerElectronicsMachineBatteryPowerDC

Bus 電機(jī)系統(tǒng)FOC控制框圖DC

linkrPI-idiqInverse

Park

dq/αβTrans.SVPWM

Generator3-Phase

InverterParkαβ/dqTrans.Clarkeabc/αβTrans.

i

β

θrPMSM-Torque

ControllePosition

SensorCurrent

functionθr

wrPIFluxControllerSpeed

ControllePITe

refid_refiq_refωrefVqaSScVαVβ_θriαiaibVSr+db-

Maxwell瞬態(tài)求解器介紹?

永磁電機(jī)的ECE模型創(chuàng)建流程-Step1：對(duì)于每個(gè)電流掃描值和每個(gè)轉(zhuǎn)子位置，將輸入電流從所選格式（d-q,a-β,振幅相位）轉(zhuǎn)換為適用于Maxwell模型的三相繞組電流源-Step2：在Maxwell中進(jìn)行有限元仿真，得到相磁鏈和轉(zhuǎn)矩-Step3：對(duì)得到的磁鏈進(jìn)行反向變換-Step4：創(chuàng)建適用于系統(tǒng)仿真的Look-upTable

Maxwell瞬態(tài)求解器介紹?

ECE

model

等效電路模型sub

circuit*.smlfileMotorand

Load?

電機(jī)(ECE

model)?

電阻和端部電感?

負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量Controller?

速度-電流雙閉環(huán)?

PI控制器?

SVPWM電機(jī)控制系統(tǒng)?電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真包括控制器、驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)和機(jī)械負(fù)載。Inverter?

全橋電路?

電壓源25結(jié)果26優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮電機(jī)最優(yōu)性能直軸電感和交軸電感的計(jì)算76543210Ld,Lqvs

Thet

(id=0,

Ie=40)

Ld

—

Lq010

203040

50

60

7080

90Thet

[deg]Ld,Lqvs

iq

(id=0,Thet=0)76543210

Ld—

Lq0

20

40

60

80

100Ie[A]

(=iq/sqrt(3))

q-axis

dq-axisinductancecharacteristicsLdLqd-axisLd,

Lq

[mH]Ld,

Lq

[mH]>電流環(huán)中，D軸的電流不再是定值控制，D軸和Q軸的電流分布根據(jù)速度環(huán)的電流分配表進(jìn)行兩軸的電流

分配。優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮電機(jī)最優(yōu)性能

內(nèi)嵌式永磁電機(jī)的MTPA控制進(jìn)行Maxwell-Twin

Builder瞬態(tài)聯(lián)合仿真?從Twin

Builder菜單欄選擇TwinBuilderCircuit>SubCircuit>MaxwellComponent>Add

Transient

Cosimulation._in_in_in_in

·PhaseA_out

·PhaseB_out

·PhaseC_out

·MotionSetup1_out·PhaseA·PhaseB·PhaseC·MotionSetup1am3in

▲

in_inPhaseA_inPhaseB_in

PhaseC_MotionSetup1

V_ROTB1 e1 0PWMPhaseB_outPhaseC_outam2w

+r2MotionSetup1_outr3RAMP

valinverter_dcac1PhaseA_outramp1c_outb

outFEA1_outp_inam1AAAm_drae2r1l3l1l20口

Thermal

ROM仿真建模IGBT逆變器電-熱耦合仿真分析(逆變器損耗和熱模型)1T,

1DSW

loss

+

DCExaminationoftemperaturecycleloss1T,

1DjunctiontemperatureAmbienttemperature=20celPackagetemperatureLinecurrent1D1T電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)Coreloss快速仿真FEAModel(Maxwell)Dynamic-ROM

ModelAdvanced

ControlECE

Model32控制系統(tǒng)仿真?

電機(jī)(ECE

model)?

電阻和端部電感?

負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量Dynamic-ROM模型

Core-Loss計(jì)算公式Core-LossInverter

Motor

and

Load

??

速度-電流雙閉環(huán)?

PI控制器?

SVPWM

Controller?

全橋電路

?

電壓源33?

Twin

Biulder

中Core-Loss結(jié)果1.Settingtargetspeed

(1000rpm)2.Add

loading

(20Nm@200ms)34TwinBuilder’sCoreLossis85.8432W

Maxwell中Core-Loss結(jié)果1.Settingconstantspeed

(1000rpm)PhaseA：Irms*sqrt(2)*sin(4*position-4*7.15deg+psi)2.Setting

phase

current35LISN電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI仿真MotorWindingcoil,

Floating

CCase:

Power

ModuleandCable3

PhaseshieldcablePowerline

1.5mTo

LISNMotorFrom36

LISN

Measurement

and

Results

Case:

Power

Module

and

CableTransientCM/DMVoltagefromLISNFFTofCM/DMVoltagefrom

LISNWaveformCM

Voltage:Vcm

DM

Voltage:

Vdmn

n

WithCable,CMNoiseis

overtheCISPR

regulationsCommonModeVoltage(Vcm),DifferentialModeVoltage(Vdm)3D

CAE?

Fluid?

Mechanical?

Thermal?

Rigid

Body?

Electro

Magnetic

?Twin

Builder系統(tǒng)仿真I動(dòng)畫

電機(jī)周圍的熱流分布

電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫度情況是影響電機(jī)壽命的重要因素

電機(jī)周圍的熱流分布

電機(jī)三維熱流模擬需要大量的時(shí)間，特別是瞬態(tài)流動(dòng)的模擬。

Dynamic

ROM使得通過機(jī)器學(xué)習(xí)來估計(jì)“實(shí)時(shí)”的最高溫度成為可能。

雖然熱傳導(dǎo)是造成電機(jī)最高溫度的主要因素，但是電機(jī)周圍的熱流分布具有非線性

ANSYS

Dynamic

ROM技術(shù)60

minutesunsteadysimulation60minutesMaxtemperature60minutes4hours@80In

a

secondMaxtemperaturecoresTwinBuilderFluent42DigitalTwin

inActionANSYSTwin

BuilderElectricMotordrivingcriticalassetor

process-Downtime

is

expensiveQuestionsto

beansweredbyapplication-

What

are

the

current

operating

conditions?-Isthemotoroperatingunder

normal

conditions?-

What

conditions

were

experienced

before

a

service

event?-

Are

the

current

operating

conditions

causingpermanentdama