• Infinitum：更高效和永續未來的馬達設計

有數十億電動馬達在全球運轉，它們共同消耗了當今全球一半以上的電力，其中大部分來自排放嚴重的燃煤電廠。這就是為什麼提高馬達效率可能會顯著推動全球減碳努力並加速向電動汽車的過渡的原因。

考慮到這一點，德克薩斯州的制造商 Infinitum 開發了一種新一代馬達，它比傳統的鐵芯馬達更輕，使用的能源更少，排放更少。

在 Ansys Startup Program 的幫助下，通過 Ansys Fluent 和 Ansys Maxwell 軟體，他們取得了成功。該公司表示，其全產品組合中使用的空芯技術生產的馬達比相同功率輸出的傳統馬達小50％，重量更輕，製造過程的碳排放量減少了近20％，效率提高了10％。

 

 

• 量化損失

因為渦流會產生熱量——浪費的能量會降低效率——在電動機、發電機和變壓器中盡量減少渦流是至關重要的。當 Infinitum 開始開發他們的 PCB 定子時，他們的內部設計工具計算出渦流損失將達到126瓦（W）。然而，測試顯示損失實際上高達330瓦。為了調查這種差異，工程師們轉向了 Maxwell。

考慮到渦流主要是在磁鐵轉換點附近產生的，Infinitum 的工程師使用 Maxwell 對一個簡化的定子模型進行了研究，重點在於單個銅線圈的直線段與速度通過的磁鐵之間的相互作用，而不會影響到完整定子的精度。

在 Maxwell 中的模擬表明，渦流主要局限於距離磁鐵轉換最近的三個中央線圈，同時受到線圈與磁鐵之間氣隙大小的影響。通過將所有線圈的模擬結果推廣到完整定子中，Infinitum 的工程師確定了線圈之間的鄰近效應是導致設計和實際之間差異的原因之一。

解決 PCB 定子建模和測試之間的差異使 Infinitum 的工程團隊能夠調整其內部設計工具使用的閉式解決方案，以便將來的測試能夠與模擬中取得的結果相匹配。

 

• 跟隨潮流

熱傳、熱損失和冷卻對於任何馬達製造商來說都是重要的考量，但當你的產品體積小而功率強大時，風險就更高了。Infinitum 在進行熱管理模擬時使用 Fluent，包括為客戶設計定制的空心線圈產品時也是如此。

最近，一家領先的建築和採礦設備公司要求 Infinitum 開發一款高效、輕量的空心線圈交流發電機的原型，該發電機需要與現有的發電機集成，提供 20 千伏安（kVA）的功率，並以每分鐘 1500 轉的速度運行。

在使用內部系統建模滿足專案電氣和介面要求的初步機械設計後，Infinitum 的工程師轉而使用 Fluent 來改進第一次迭代的空冷系統。

為了實現均勻的定子溫度和高效率作為主要目標，Infinitum 著手定制一個設計，通過內部空氣循環和機械驅動的葉輪的流量來產生所需的冷卻。工程師還評估了新開發的定子外殼壁的導熱冷卻能力，該設計旨在通過與均勻但較薄的接觸區相比更一致地進行導熱冷卻。

外殼溫度圖（左）和定子溫度圖（右）

儘管 Fluent 模擬顯示在定制過程的開始時整體定子溫度是可以接受的低，但最初的葉輪概念——基於之前 Infinitum 的徑向葉片設計——通過風損造成了不可接受的效率下降。第一個版本的葉輪具有 12 片葉片，外徑為 390 毫米（mm），深度為 42 mm，產生了 700 立方英尺每分鐘（CFM）的流量。工程師消除了四片葉片，將外徑減小到 290 mm，深度減小到 30 mm，模擬顯示流量下降到更高效的 300 CFM。這個中間葉輪用於冷卻系統的下兩個迭代。

外殼散熱片的布置和數量對於該系統的成功也是至關重要的。雖然在工程師修改了葉輪後，定子溫度仍保持在預期範圍內，但驅動端和非驅動端的交流發電機外殼之間仍存在顯著的溫差。工程師得出結論，驅動端外殼缺乏內部散熱片導致散熱不對稱。在向外殼設計添加內部散熱片後進行的模擬顯示，無論是對於定子還是外殼，溫度梯度都更加均勻和涼爽。

雖然流動研究顯示外殼壁的凹面特徵成功地通過傳導方式移除了 28% 的定子熱量，但設計師還在外殼周圍添加了散熱片以進一步散熱。這一迭代還顯示，外殼外圍的輪廓無法有效地引導空氣到達外殼散熱片，而現有的較低安裝特徵導致其中部分存在次級氣流阻礙。進一步的模擬證實，將輪廓修改為跟隨散熱片輪廓並減小安裝特徵的尺寸解決了這些問題。

為了最終確定內部動力流的葉輪設計並確定建議的外部流量，Infinitum 使用 Ansys CFX 進行了質量流量需求研究，並使用冷卻系統的簡化機械模型進行了研究。

 

Author
Susan Coleman
Director Academic and Startup Programs, Ansys

資料來源：ANSYS BLOG