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JMAG 進階實作 [ 電磁 + 熱傳 ] 耦合分析 (Rev. 03)

JMAG 進階實作 [ 電磁 + 熱傳 ] 耦合分析 (Rev. 03). 勢流科技 陳桂村 03 / 11 / 2010. 內 容. 實施簡介 JMAG( 電磁 + 熱傳 ) 耦合分析的流程 模型材料性質的設定 模型 分析條件的設定 執行耦合分析 單向 (1-Way) 雙向 (2-Way) 初步模擬結果檢視 附件： 模型的簡化 維度 (2D / 3D) 局部 ( 週期分數 ) 模型簡化可行性探討. 操作進度 . 實施簡介 JMAG( 電磁 + 熱傳 ) 耦合分析的流程 模型材料性質的設定 模型 分析條件的設定 執行耦合分析

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JMAG 進階實作 [ 電磁 + 熱傳 ] 耦合分析 (Rev. 03)

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Presentation Transcript

  1. JMAG進階實作[電磁+熱傳]耦合分析 (Rev. 03) 勢流科技 陳桂村 03 / 11 / 2010

  2. 內 容 • 實施簡介 • JMAG(電磁+熱傳)耦合分析的流程 • 模型材料性質的設定 • 模型分析條件的設定 • 執行耦合分析 • 單向(1-Way) • 雙向(2-Way) • 初步模擬結果檢視 • 附件：模型的簡化 • 維度 (2D / 3D) • 局部 (週期分數) • 模型簡化可行性探討

  3. 操作進度 • 實施簡介 • JMAG(電磁+熱傳)耦合分析的流程 • 模型材料性質的設定 • 模型分析條件的設定 • 執行耦合分析 • 單向(1-Way) • 雙向(2-Way) • 初步模擬結果檢視 • 附件：模型的簡化 • 維度 (2D / 3D) • 局部 (週期分數) • 模型簡化可行性探討 • 3D-CAD 模型 • 電磁模型 • 熱傳模型

  4. 實施簡介 • 本實作模型係一內置式磁石馬達： • 模型取材自JMAG-Studio安裝光碟的內建練習檔 • 但是，CAD 模型設定方式略有不同；請直接啟用本課程相關模型(*.sat) 檔案，進行熱傳模組部份之操作練習  投影片(# 6) • 進行本練習之前，須先行完成相關電磁模型建構或模擬結果 • 電磁、熱傳耦合分析的實施 • EM模組產生電磁分析模型，HT模組產生熱傳分析模型 • 耦合分析可採行的方式  投影片(# 9 ~ 12)： • 單向(1-Way)：先完成EM分析，再進行HT分析 • 雙向(2-Way)：運用[Analysis Tool]介面，同步(EM+HT)耦合分析 • 若干“實驗”參數需事先獲致，以增進模擬結果的準確性 • 熱傳系數(HTC, W/m2˙˚C), 接觸熱阻(Thermal Resistance, W/m˙˚C)

  5. 電磁 (2D) 分析模型

  6. 3D-CAD 模型 JMAG 操作環境中，電機 主體(轉、定子、磁鐵) 的 3D 模型底部，座落在 Z = 0 的 X-Y 面上 30 mm Z = 0

  7. 熱傳 (3D) 分析模型

  8. 操作進度 • 實施簡介 • JMAG(電磁+熱傳)耦合分析的流程 • 模型材料性質的設定 • 模型分析條件的設定 • 執行耦合分析 • 單向(1-Way) • 雙向(2-Way) • 初步模擬結果檢視 • 附件：模型的簡化 • 維度 (2D / 3D) • 局部 (週期分數) • 模型簡化可行性探討 • 耦合分析計算 • 運用時機 • 單向(1-Way)耦合分析流程 • 雙向(2-Way)耦合分析流程

  9. 耦合分析計算 • 雙向(2-Way)耦合： • EM和HT模型毋須事先完成各別分析結果，故又稱“直接”耦合 • 計算流程參投影片(# 11、12) • 運用時機： • 模擬溫昇過程與電機電磁現象即時交互變化的情形，如：磁鐵材料的熱退磁 • 相關材料須包含各溫度的導磁性質 • “2D-電磁模型” 耦合 “3D-熱傳模型”的熱傳分析  參投影片(#104) • 單向(1-Way)耦合： • EM模型須事先完成分析結果，再由HT模型擷取EM的損耗結果資料而獨自完成熱傳分析，故又稱“間接”耦合 • 模擬流程參投影片(#10) • 運用時機：只考慮在特定溫度電磁分析的結果所呈現的熱傳現象

  10. 單向(1-Way)耦合分析流程 • 電磁模型檔 • CAD僅馬達本體 • 建立網格 • 材料性質 • 分析條件 • 驅動電路 • 電磁分析 • EM執行檔(.jcf) • 進行電磁分析 • EM結果檔(.plot) • 獲致熱源數據 • 供兩步式(2-step)電磁熱傳分析用 • 熱傳模型檔 • CAD大致與EM模型一致 • 建立網格(不含空氣) • 材料性質 • 分析條件 • (電磁+熱傳)耦合分析 • 自EM分析結果載入熱源數據： • 各種熱源 • 銅損 • 鐵損(含磁滯損、渦流損) • 熱傳暫態分析 本操作資料實施的部份

  11. 雙向(2-Way)耦合分析流程 JMAG(電磁 + 熱傳)耦合分析過程，數據結果的呈現

  12. 時序 計算步級1 熱傳分析 設定初始溫度 計算步級2 電磁分析 計算步級 1 ~ N 計算步級 N+1 ~ 2N 平均損耗 平均損耗 N步級 = 1個電磁角週期 (2-Way)損耗和熱傳分析計算 JMAG(電磁 + 熱傳)耦合分析計算時，數據資料的傳遞與流向

  13. 操作進度 • 實施簡介 • JMAG(電磁+熱傳)耦合分析的流程 • 模型材料性質的設定 • 模型分析條件的設定 • 執行耦合分析 • 單向(1-Way) • 雙向(2-Way) • 初步模擬結果檢視 • 附件：模型的簡化 • 維度 (2D / 3D) • 局部 (週期分數) • 模型簡化可行性探討 • 建立新專案 • 載入3D-CAD檔 • 組件的材料 • 磁鐵材料參數 • 線圈材料參數 • 轉、定子/軸桿材料參數 • 設定材料性質 • 完整的材料表

  14. 建立新專案 • 在JMAG開啟一新專案 • [File] => [New] • 設定如下： • 分析模組：[Thermal Analysis] • [Unit]: mm • [Tolerance]: 0.001 • [Location]: 指定儲存路徑 • [File Name]: 輸入一個專案名稱[HT_Model]

  15. 載入3D-CAD檔 • [File] => [Import] => [SAT] • 選取[3D_IPM_00.SAT] ，然後按[開啟]  參投影片(# 17) • [File] => [Export] => [Save Data] 將CAD模型儲存成[HT_Motor_01.ssv]

  16. 載入[3D_IPM_01.SAT]CAD模型 將CAD模型儲存成[HT_Motor_01.ssv]

  17. 組件的材料 • [Conditions] => [Modify Materials] • 在[Material List]對話框下，各別組件的材料： • 磁鐵: Magnet • 線圈: U、V、W • 轉、定子鐵心、軸桿: Rotor Core / Stator Core / Shaft • 點選一項材料，按[Modify] 出現各別材料設定對話框

  18. 磁鐵的材料參數 • [Name]: Magnet • 在[Thermal Conductivity]群組區 • 點選[Linear] • [Thermal Conductivity [W/m Celsius]]: 20 • 在[Specific Heat]群組區 • 點選[Linear] • [Specific Heat [J/Kg Celsius]]: 460 • 在[Density]群組區 • 點選[Linear] • [Density [Kg/m^3]]: 7500 • 按[OK]

  19. 線圈的材料參數 • [Name]: U-phase • 在[Thermal Conductivity]群組區 • 點選[Linear] • [Thermal Conductivity [W/m Celsius]]: 380 • 在[Specific Heat]群組區 • 點選[Linear] • [Specific Heat [J/Kg Celsius]]: 380 • 在[Density]群組區 • 點選[Linear] • [Density [Kg/m^3]]: 8600 • 按[OK] [Note:]依次完成V, W相線圈材料

  20. 轉、定子鐵心/軸桿的材料參數 • [Name]: Rotor Core/Stator Core/Shaft • 在[Thermal Conductivity]群組區 • 點選[Linear] • [Thermal Conductivity [W/m Celsius]]: 23 • 在[Specific Heat]群組區 • 點選[Linear] • [Specific Heat [J/Kg Celsius]]: 460 • 在[Density]群組區 • 點選[Linear] • [Density [Kg/m^3]]: 7650 • 按[OK] [Note:]依次完成定子鐵心材料

  21. 設定材料性質 • 按選 便捷鈕，框選如投影片(# 23)的範圍 • [Conditions] => [Modify Materials]  [Material List]對話框 • 點選[Assignment]群組區中的[Region] • 步驟1:點選[ID] = 3的[Thermal Analysis Material Stator Core]材料項 • 步驟2:使定子鐵心的物件呈選取狀態 • 步驟3:按[Apply] • [File] => [Export] => [Save Data] • 將設定好材料性質的模型更新儲存[HT_Motor_01.ssv]

  22. 1. 選定材料類別 3. 2. 選定材料區塊

  23. 完整的材料表 • 材料參數設定完成後，[Material List]如圖所示： 材料性質設定完整後，將模型更新 仍然儲存成[HT_Motor_02.ssv]

  24. 操作進度 • 實施簡介 • JMAG(電磁+熱傳)耦合分析的流程 • 模型材料性質的設定 • 模型分析條件的設定 • 執行耦合分析 • 單向(1-Way) • 雙向(2-Way) • 初步模擬結果檢視 • 附件：模型的簡化 • 維度 (2D / 3D) • 局部 (週期分數) • 模型簡化可行性探討 • 條件設定項目的列表 • 模型的網格 • 熱傳邊界條件 • 接觸熱阻條件 • 初始溫度條件 • 熱傳等效電路組成 • 有關等效電路裡各項 熱傳參數 • 熱源產生條件 • [Heat Source Type] 運用 • 局部模型條件 • “Time Step”條件 • “Analysis Control”條件 • 完整的分析條件列表

  25. 條件設定的項目 [註:] 各求解模式之條件的設定，請參考第10.0版的相關手冊： (1) JMAG-Studio User’s Manual (Pre/Post): Ch. 10  p. 495 (2) JMAG-Studio User’s Manual (Solver): Ch. 3  p. 321

  26. 模型的網格 • [Mesh] => [Automatic Generation] • 在[Automatic Generation]對話框下，按[By Size]標籤頁 • 依[Element Size]欄內所列之各組件的元素尺寸，輸入各別值 • 每完成一組件的輸入值，按[Update] • 按[Generate Mesh]以生成網格，參投影片(# 28、29) • [File]] => [Export] => [SSV] • 將此網格模型儲存成[HT_Motor_003.ssv] [註：] 後續，可依需要調整網格尺寸參數，調節網格疏密程度

  27. 網格生成後，原始 CAD 與網格模型將同時出現 將模型儲存成[HT_Motor_003.ssv]，並關閉原始 CAD 模型

  28. “Heat Transfer Boundary”條件 • [Conditions] => [Create Condition] • [Heat Transfer Boundary]

  29. 熱傳邊界條件([1]定子環境 ) • 在[Heat Transfer Boundary]對話框下： • 按 和 便捷鈕，選取定子鐵心上、下、徑向外側表面 • 按[Target]群組區的[Setting] • 點選[Apply to Equivalent Circuit Condition] • 在[Heat Transfer Coefficient]群組區： • 點選[Point Sequence] • 按 [Setting] • 在[Point Sequence List]對話框： • 按[Add]鈕，出現[Edit Point Sequence]對話框： • [Name]: HTC(Stat-Amb) • 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： • [1:] -100[2:]150 按[Add] • [1:] 1000[2:]150 按[Add] • 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 32) 參投影片(# 33)

  30. 選取定子鐵心上、下、徑向外側表面

  31. 1 2 4/6 3/5 7

  32. 熱傳邊界條件([2]轉子 環境) • 在[Heat Transfer Boundary]對話框下： • 按 和 便捷鈕，選取轉子鐵心上、下側表面 • 按[Target]群組區的[Setting] • 點選[Apply to Equivalent Circuit Condition] • 在[Heat Transfer Coefficient]群組區： • 點選[Point Sequence] • 按 [Setting] • 在[Point Sequence List]對話框： • 按[Add]鈕，出現[Edit Point Sequence]對話框： • [Name]: HTC(Roto-Amb) • 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： • [1:] -100[2:]75 按[Add] • [1:] 1000[2:]75 按[Add] • 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 35) 參投影片(# 36)

  33. 選取轉子鐵心上、下側表面

  34. 1 2 4/6 3/5 7

  35. 熱傳邊界條件([3]線圈 氣隙) • 在[Heat Transfer Boundary]對話框下： • 按 和 便捷鈕，選取線圈靠近氣隙側表面 • 按[Target]群組區的[Setting] • 點選[Apply to Equivalent Circuit Condition] • 在[Heat Transfer Coefficient]群組區： • 點選[Point Sequence] • 按 [Setting] • 在[Point Sequence List]對話框： • 按[Add]鈕，出現[Edit Point Sequence]對話框： • [Name]: HTC(Coil-Gap) • 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： • [1:] -100[2:]75 按[Add] • [1:] 1000[2:]75 按[Add] • 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 38) 參投影片(# 39)

  36. 選取線圈靠近氣隙側表面

  37. 1 2 4/6 3/5 7

  38. 熱傳邊界條件([4]轉子 氣隙) • 在[Heat Transfer Boundary]對話框下： • 按 和 便捷鈕，選取轉子鐵心靠近氣隙側表面 • 按[Target]群組區的[Setting] • 點選[Apply to Equivalent Circuit Condition] • 在[Heat Transfer Coefficient]群組區： • 點選[Point Sequence] • 按 [Setting] • 在[Point Sequence List]對話框： • 按[Add]鈕，出現[Edit Point Sequence]對話框： • [Name]: HTC(Roto-Gap) • 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： • [1:] -100[2:]250 按[Add] • [1:] 1000[2:]250 按[Add] • 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 41) 參投影片(# 42)

  39. 選取轉子鐵心靠近氣隙側表面

  40. 1 2 4/6 3/5 7

  41. 熱傳邊界條件([5]定子 氣隙) • 在[Heat Transfer Boundary]對話框下： • 按 和 便捷鈕，選取定子鐵心靠近氣隙側表面 • 按[Target]群組區的[Setting] • 點選[Apply to Equivalent Circuit Condition] • 在[Heat Transfer Coefficient]群組區： • 點選[Point Sequence] • 按 [Setting] • 在[Point Sequence List]對話框： • 按[Add]鈕，出現[Edit Point Sequence]對話框： • [Name]: HTC(Stat-Gap) • 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： • [1:] -100[2:]250 按[Add] • [1:] 1000[2:]250 按[Add] • 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 44) 參投影片(# 45)

  42. 選取定子鐵心靠近氣隙側表面

  43. 1 2 4/6 3/5 7

  44. “Contact Thermal Resistance”條件 • [Conditions] => [Create Condition] • [Contact Thermal Resistance]

  45. 接觸熱阻條件 (線圈定子鐵心) • 在[Contact Thermal Resistance]對話框下： • 按 和 便捷鈕，選取定子槽內緣側表面(與線圈接觸者) • 按[Target]群組區的[Setting] • 點選[Contact Thermal Resistance] • 在[Contact Thermal Resistance]群組區： • 點選[Point Sequence] • 按 [Setting] • 在[Point Sequence List]對話框： • 按[Add]鈕，出現[Edit Point Sequence]對話框： • [Name]: Coil-Stator • 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： • [1:] -100[2:]0.5 按[Add] • [1:] 1000[2:]0.5 按[Add] • 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 48) 參投影片(# 49)

  46. 選取定子槽內緣側表面(與線圈接觸者)

  47. 1 2 4/6 3/5 7

  48. 接觸熱阻條件 (磁鐵轉子鐵心) • 在[Contact Thermal Resistance]對話框下： • 按 和 便捷鈕，選取磁鐵與轉子鐵心接觸表面 • 按[Target]群組區的[Setting] • 點選[Contact Thermal Resistance] • 在[Contact Thermal Resistance]群組區： • 點選[Point Sequence] • 按 [Setting] • 在[Point Sequence List]對話框： • 按[Add]鈕，出現[Edit Point Sequence]對話框： • [Name]: Mag-Roto • 在[Edit Point Sequence]群組區，輸入如下： • [1:] -100[2:]1 按[Add] • [1:] 1000[2:]1 按[Add] • 按[OK]，完成並結束設定 參投影片(# 51) 參投影片(# 52)

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