电机系统仿真与数字孪生解决方案

电机系统仿真与数字孪生解决方案系统仿真与数字孪生技术概览系统仿真&基于仿真的数字孪生System

SimulationDigitalTwin基于仿真的数字孪生•

通过集成多学科系统模型为在运营中的物理设备构建连接的虚拟副本,为物理设备的生命周期运行体验建立镜像•支持系统设计和优化、预测性维护和优化工业资产管理虚拟设备（模型）基于经验/理论公式的模型基于数据的模型基于三维几何建模的模型实际设备数字孪生的模型分类设备使用人员/设备控制系统基于仿真的模型DigitalTwin(Virtual

Replica)PhysicalAsset

(In-service)传感器

—一输入输出15%收入收益1•

新的商业模型•

提高生产力和加

速新产品的引进•

竞争优势1.McKinsey&Company:

Five

Keysto

DigitizingAerospace

and

Defense2.CompaniesAviationWeekMRO10%降低成本1•

保修成本降低•

运营效率•缩短设计和开发周期30%维修周期改进2•

提高维护效率数字孪生的效益明显6+虚拟传感器观测关键数据基于物理的精确度，

提高投资回报率在实际部署前

进行方案演习实现恶劣工

况的模拟仿真正被置于数字孪生实施的中心/ns

ysSimulation-based

DigitalTwinsIIoT

andDataAnalytics口<>o7构建精确、基于物理的仿真模型导出TWIN模型并与IIoT平台连接进行运营部署验证和优化仿真模型实现数字孪生价值的方案所必须的能力8将孪生体部署到IIoT或边缘设备验证Twin

Builder三大主要功能建立基于物理的精准数字模型验证和优化系统模型系统验证与优化构建系统模型系统预测维护构建部署•把系统模型部署到运行环境提升运营维护•通过虚拟传感器观测不易通过传感器采集的数据或场状态•

对设备的寿命等进行预测性维护•

排故方案预演•把系统模型部署到测试环境用于半实物试验•构建虚拟传感器观测不易通过传感器采集的数据或场状态•进行现实难以模拟的恶劣工况测试、故障注入•

测试及优化系统运行性能•在系统设计的早期构建系统一维模型并验证•通过Modelica、VHDL-AMS等构建系统模型•通过特有的三维模型降阶技术把三维模型引入系统仿真•通过因为三维模型构建精度更高的系统仿真ANSYSTwin

Builder在产品研制过程中的应用场景系统一维与三维混合模型仿真系统模型用于虚拟

试验虚拟模型用于设备

运营维护系统一维模型仿真模型仿真结果需求需求23:阀门在500us内关闭X功能仿真Postruefalse

0Pmaxt系统仿真(0D)PosPmax0

500us

t高置信度仿真

(3D)-开环验证ActuatorPos500usPmaxt系统验证(0D-ROM-Ctrl)-闭环验证Pos0Pmaxt500us一个不同精度系统仿真例子500us11支持多种建模语言•

支持Modelica,VHDL-AMS,C/C++,SPICE

等语言可扩展的多学科专业模型库•电气,、电子、机械、流体、热力、信号库等与第三方工具(包含1D)集成•

支持FMI/FMU,与ANSYS3D和第三方Model

Exchange&co-

simulation3D降阶模型生成与集成•

通过ROM

(Dynamic,Static

and

DX)实现3D物理模型的简化与嵌入式软件集成•SCADE

Suite,SCADE

Display

等建模阶段的优势与能力•便捷的多源异构模型构建平台•支持多物理、多语言、高保真

模型构建系统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支持各种不同学科模型的集成及仿真高置信度系统仿真（1D+3D耦合仿真）3D降阶模型（置信度高，

计算速度高）

以系统为主的1D+3D耦合仿真的难点一个步长计算，毫秒级

一个步长计算，毫秒-几百毫秒机1D模型（置信度低，计

算速度高）集成后处理的多域仿真•

分析和优化系统中多学科组件之间的交互快速人机界面原型设计•

通过功能强大、易于设计和交互式的图形面板增强模拟体验系统验证和优化•

支持DoE、参数扫描和脚本

(VBA/Python)XiL集成•

支持模型在环(MiL)和软件在环(SiL)在环工作流程验证阶段优化与能力•确保产品的可靠性和鲁棒性•通过优化工具优化系统性能•轻松集成与验证测试数据验证阶段:高可靠性与集成优化快速连接到受支持的IIoT平台•

配置连接器用于连接到IIoT平台，发送和接收操作数据•

ANSYS

Twin

Builder使能IIoT的工程预测能力导出和部署生成的模型•从Twin

Builder导出可部署可兼容的数字孪生模型（.twin文件）部署阶段优势与能力•

优化运营•

预测性维护部署部署阶段:高效预测与诊断System

LibrariesTwin

BuilderSystem

Model+

+

OfflineComputeTwin

Modelforcloud/edgedeployment

Twin

Builder数字孪生设计及部署流程DigitalTwin

PartnersLTI

&

LPVStaticDynamic

ROM

ExtractionCapabilitiesroRrValidated

3D

Physics

ModelsData-

basedFMUfor

Simulation

workflowsTest

DataTwin

ModelforControl

ModelsSoftware,ROM

Solver

ROM

数字孪生运行于云上ANSYS平台在云上部署数字孪生的解决方案物理原型传感器数据ANSYSTwin

Builder导出

的数字孪生文件试验校正动作应用校正动作传感器数据仿真结果异常情况虚拟原型分析洞察智能机械IoT平台电机系统仿真

OUTLINE•

电机ECE模型的快速仿真

-Twin

Builder+Maxwell•

电驱系统场路协同瞬态联合仿真

-Twin

Builder+Maxwell•

逆变器电磁-热耦合仿真分析-Twin

Builder+Icepak•

电机驱动系统中电机Coreloss快速仿真

-

Dynamic

ROM应用:Twin

Builder+Maxwell•

电驱系统的EMC仿真

-传导EMI仿真:Twin

Builder+OtherCAEComponents•

电机的温度场快速仿真-

Dynamic

ROM应用: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电机系统介绍N0121N0132

N0131

N0130

N0129

N0128

N0134

N0135N0125

N0133ACMVariableVoltage/

FrequencyConverterInverterControlcircuit(PCB)PowerElectronicsMachineBatteryPowerDC

Bus 电机系统FOC控制框图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瞬态求解器介绍•

永磁电机的ECE模型创建流程-Step1：对于每个电流扫描值和每个转子位置，将输入电流从所选格式（d-q,a-β,振幅相位）转换为适用于Maxwell模型的三相绕组电流源-Step2：在Maxwell中进行有限元仿真，得到相磁链和转矩-Step3：对得到的磁链进行反向变换-Step4：创建适用于系统仿真的Look-upTable

Maxwell瞬态求解器介绍•

ECE

model

等效电路模型sub

circuit*.smlfileMotorand

Load•

电机(ECE

model)•

电阻和端部电感•

负载转矩和惯量Controller•

速度-电流双闭环•

PI控制器•

SVPWM电机控制系统•电机驱动系统仿真包括控制器、驱动电路、电机和机械负载。Inverter•

全桥电路•

电压源25结果26优化电机驱动系统发挥电机最优性能直轴电感和交轴电感的计算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]>电流环中，D轴的电流不再是定值控制，D轴和Q轴的电流分布根据速度环的电流分配表进行两轴的电流

分配。优化电机驱动系统发挥电机最优性能

内嵌式永磁电机的MTPA控制进行Maxwell-Twin

Builder瞬态联合仿真•从Twin

Builder菜单栏选择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逆变器电-热耦合仿真分析(逆变器损耗和热模型)1T,

1DSW

loss

+

DCExaminationoftemperaturecycleloss1T,

1DjunctiontemperatureAmbienttemperature=20celPackagetemperatureLinecurrent1D1T电机驱动系统中电机Coreloss快速仿真FEAModel(Maxwell)Dynamic-ROM

ModelAdvanced

ControlECE

Model32控制系统仿真•

电机(ECE

model)•

电阻和端部电感•

负载转矩和惯量Dynamic-ROM模型

Core-Loss计算公式Core-LossInverter

Motor

and

Load

••

速度-电流双闭环•

PI控制器•

SVPWM

Controller•

全桥电路

•

电压源33•

Twin

Biulder

中Core-Loss结果1.Settingtargetspeed

(1000rpm)2.Add

loading

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

Maxwell中Core-Loss结果1.Settingconstantspeed

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

phase

current35LISN电机及驱动系统传导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系统仿真I动画

电机周围的热流分布

电机转子的温度情况是影响电机寿命的重要因素

电机周围的热流分布

电机三维热流模拟需要大量的时间，特别是瞬态流动的模拟。

Dynamic

ROM使得通过机器学习来估计“实时”的最高温度成为可能。

虽然热传导是造成电机最高温度的主要因素，但是电机周围的热流分布具有非线性

ANSYS

Dynamic

ROM技术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