Elektryfikacja w środowisku Simcenter EMAG
Elektryfikacja się dzieje! Z Tobą lub bez Ciebie!
Dlaczego? Odpowiedź jest bardzo prosta, wyobraź sobie, że jesteś jednym z dyrektorów ds. technicznych zajmujących się tego rodzaju tematyką. Aktualnie 483 firmy opracowują samochody elektryczne i lekkie ciężarówki, 257 firm ogłosiło programy jazdy autonomicznej – rys. 1. To jest garstka firm w porównaniu z tradycyjnymi producentami samochodów! To jest nasze wezwanie do działania! To znaczy „Elektryfikacja ma miejsce, z nami lub bez nas!”. Inną kwestią, na którą należy zwrócić uwagę, jest fakt, że należy sprawdzić czy w tej przestrzeni istnieje rynek dla naszych rozwiązań.
Rys.1 Trend elektryfikacji na świecie.
Według McKinsey, tylko w 2019 r. wprowadzono 231 nowych pojazdów elektrycznych na baterie i 103 pojazdy hybrydowe typu plug-in. Do 2022 roku będzie to około 790 pojazdów. Oznacza to około 20 nowych pojazdów miesięcznie w latach 2019-2022! Dlaczego tak się dzieje? Nowe przepisy dotyczące emisji spalin w Europie i Chinach wchodzą w życie w latach 2020-2021. Przewiduje się również wycofanie pojazdów ICE (posiadających siniki spalinowe) w latach 30. i 40. XXI wieku. Regulacje te stanowią poważne wyzwanie dla producentów samochodów, bo grożą im potencjalne kary, sięgające nawet kilku miliardów – alternatywnym rozwiązaniem jest znaczące zwiększenie penetracji rynku pojazdów elektrycznych. Jak więc możesz pomóc – czy Twój klient radzi sobie z tymi wyzwaniami?
Do elektryfikacji należy dodać również łączność sieci 5G, która ma zapewnić autonomiczną jazdę. Elektryfikacja również następuje na rynku elektroniki i obejmuje również inne branże.
Czym jest Simcenter EMAG? Jest solwerem przeznaczonym do zagadnień elektromagnetycznych. Aktualnie jest on już częścią takich środowisk jak Star CCM+ czy Simcenter 3D. Od roku 2021 jest również częścią środowiska obliczeniowego Simcenter FLOEFD.
Przyjrzyjmy się bliżej pojazdom elektrycznym. W takim pojeździe istnieje wiele zastosowań elektromagnetycznych na przykład automatyzacja projektowania elektronicznego w tym układów scalonych i płytek drukowanych, które muszą przejść testy zakłóceń elektromagnetycznych i kompatybilności. Podobnie czujniki i anteny muszą być zlokalizowane w odpowiednich miejscach, a także muszą przejść testy EMC (kompatybilności elektromagnetycznej) i EMI (zakłóceń elektromagnetycznych). W przypadku pojazdów typu BEV (maszyn w pełni elektrycznych) wyzwanie elektromagnetyczne jest dwojakie: Aby zaoferować wydajną, kompaktową i lekką wymianę silnika ICE, czyli ładowarka, akumulator, falownik i układ napędowy wymaga zastosowania środowisk dedykowanych do zagadnień elektromagnetycznych. Dodatkowo trzeba spełnić standardy dotyczące narażenia zarówno ludzi, jak i obwodów o niskim poborze mocy.
Dla krótkiego przypomnienia Simcenter FLOEFD jest środowiskiem przeznaczonym do zagadnień przepływowych i termicznych wraz z sprzężonymi analizami. Warto nadmienić również, że jest integralną częścią środowiska CAD takiego jak np. Solid Edge czy NX, co daje niewątpliwie same zalety użytkownikowi, który nie wychodząc poza obszar projektowanego środowiska może przeprowadzić szereg kompleksowych analiz swojego produktu. W najnowszej wersji mamy możliwości realizacji zagadnień elektromagnetycznych. Przykład zastosowania środowiska FLOEFD dla środowiska CAD -> Solid Edge dla uproszczonej geometrii transformatora przedstawia rys. 2.
Rys.2 Model uproszczonego transformatora w środowisku Simcenter FLOEFD dla Solid Edge.
Kreator obliczeń w tym środowisku kieruje nas krok po kroku przez cały etap symulacji pozwalając nam dołączyć do analizy sprzężonej termiczno-przepływowej z promieniowaniem rozwiązania elektromagnetyczne rys. 3.
Rys.3 Kreator obliczeń w najnowszej wersji środowiska Simcenter FLOEFD.
Warunki brzegowe dedykowane do zagadnień elektromagnetycznych pozwalają na wzbudzenie w zakresie prądu stałego i przemiennego z przesunięciem w fazie rys. 4.
Rys.4 Warunki wzbudzenia dla analizy elektromagnetycznej.
Siatka obliczeniowa dla analiz elektromagnetycznych rys. 5. oparta jest o elementy czworościenne. Nie przeszkadza to w wymianie danych, która odbywa się automatycznie przez system pomiędzy siatką kartezjańską stosowaną do zagadnień termiczno – przepływowych z siatką czworościenną.
Rys.5 Siatka czworościenna w analizach elektromagnetycznych dla środowiska Simcenter FLOEFD.
Wyniki analiz sprzężonej symulacji termiczno – przepływowej z uwzględnieniem elektromagnetyzmu przedstawiają rysunki 6-8. Dzięki analizie elektromagnetycznej możemy sprawdzić straty generowane przez poszczególne komponenty analizowanego układu, jak również rozkłady pola elektromagnetycznego.
Rys.6 Rozkład temperatury w rdzeniu transformatora oraz temperatura opływającego medium.
Rys.7 Straty generowane przez poszczególne komponenty.
Rys.8 Rozkład pola elektromagnetycznego.
Podsumowując:
- Elektryfikacja wymaga zastosowania zagadnień elektromagnetycznych występujących na wszystkich etapach projektowania;
- Rozwiązania Simcenter EMAG, które są częścią portfolio Simcenter, dobrze integrują się z innymi rozwiązaniami Siemens dedykowanymi do analiz 1D, CFD, strukturalnymi, NVH;
- Ogromny nacisk na elektryfikację w prawie wszystkich branżach znacznie rozszerza symulacje z użyciem solwera Simcenter EMAG.
Opracował: Marek Rudy