CST Studio Suite – высокопроизводительный пакет программного обеспечения для ЭМ-анализа в 3D, предназначенный для проектирования, анализа и оптимизации электромагнитных компонентов и систем.
Дозиметрия и ЭМС-моделирование электромобилей
Автомобильная промышленность в последнее время испытала огромный толчок к электрификации, и все OEM-производители планируют разрабатывать новые электромобили. В частности, гибридные (HEV) и аккумуляторные электромобили (BEV) разрабатываются и необходимы для достижения амбициозных целей по выбросам CO2, с которыми сталкиваются OEM-производители. Этот сдвиг парадигмы ставит совершенно новые задачи в процессе разработки этих автомобилей. Одной из этих новых проблем является электромагнитная совместимость для такого транспортного средства. С введением системы высокого напряжения и потока высоких токов, питающих трансмиссию, требуются новые концепции, чтобы гарантировать, что недавно разработанные автомобили соответствуют стандартам электромагнитного излучения и требованиям безопасности человека.
За последние годы электромагнитное моделирование доказало, что оно может иметь большое значение для анализа и проектирования продуктов, совместимых с ЭМС. Для инженеров по ЭМС имитационное моделирование стало важным инструментом, дополняющим измерения, позволяющим оценить характеристики ЭМС продукта на раннем этапе проектирования. Хотя измерения необходимы для получения сертификатов на продукт, они могут быть выполнены только после того, как будет доступен прототип. На этом этапе решение концепции ЭМС должно быть уже зафиксировано, и если требуются изменения, они ведут к длительным циклам редизайна. С другой стороны, даже если сертификация с помощью моделирования в настоящее время еще не проводится, возможность прогнозировать характеристики электромагнитной совместимости на самых ранних этапах процесса проектирования является оптимальным вариантом для моделирования.
В последние годы моделирование ЭМС наиболее активно использовалось поставщиками TIER 1 для системных компонентов, поставляемых OEM-производителям. Обычно OEM определяет поставщику допустимые пределы выбросов компонентов. На этапе прототипа все компоненты собираются в транспортное средство, и на прототипе проводятся испытания на электромагнитную совместимость. Такой подход больше невозможен для электромобилей. Поскольку в автомобиле с электроприводом компоненты трансмиссии являются неотъемлемой частью всего автомобиля, новые концепции ЭМС должны быть включены уже на самых ранних этапах разработки продукта и больше не могут следовать традиционному подходу, когда ЭМС была только интерес к поздним стадиям проектирования. Одной из причин, по которой OEM-производители в прошлом меньше использовали моделирование ЭМС, является тот факт, что транспортное средство в целом является чрезвычайно сложным продуктом, а настройка имитационных моделей и сбор всех необходимых данных для моделирования были непростой задачей.
Dassault Systèmes предлагает правильные решения для решения этой сложной проблемы: CST Studio Suite для высокоточного электромагнитного моделирования и платформы 3DEXPERIENCE для проектирования, управления данными и совместной работы. В сегодняшнем примере будет представлен рабочий процесс для моделирования ЭМС полной электрической трансмиссии. При создании имитационных моделей для таких сложных сценариев подключение платформы 3DEXPERIENCE к CST Studio Suite с помощью коннектора POWER'BY может принести пользователю большую пользу. Геометрические упрощения, обеспечивающие эффективную имитационную модель, могут выполняться непосредственно на платформе 3DEXPERIENCE, экономя драгоценное время при создании модели и построении сетки. Кроме того, инженер по моделированию EMC всегда имеет доступ к актуальной геометрии, так как он уведомляется о внесении изменений в данные САПР другим отделом.
Основными компонентами электропривода являются: аккумуляторная батарея для обеспечения электрического тока, блок силовой электроники для управления двигателем и сам двигатель для создания механического крутящего момента (рис. 1). Внутри блока силовой электроники инвертор является сердцем системы. Питаемый постоянным током от батареи, он используется для обеспечения правильной схемы тока для управления вращением двигателя. Это достигается с помощью так называемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Ток от батареи переключается в инверторе со скоростью, намного превышающей механическое вращение, обычно десятые доли кГц. Применяя это быстрое переключение, можно точно контролировать вращение двигателя при очень высокой эффективности системы. Однако это переключение является основным источником электромагнитного излучения, и необходимо следить за этим излучением. Обычно это достигается добавлением фильтра между инвертором и батареей (см. рис. 1). Все вышеперечисленные компоненты могут быть эффективно спроектированы с помощью моделирования. Однако после того, как вся система будет интегрирована в транспортное средство, необходимо рассмотреть два дополнительных аспекта.
Первый аспект связан с безопасностью человека: большие токи, протекающие через силовую передачу, являются источником магнитных полей. Воздействие на тело человека изменяющегося во времени магнитного поля должно быть ограничено в соответствии со стандартами (например, ICNIRP), установленными регулирующими органами. Второй аспект — паразитная связь электромагнитных полей с шасси автомобиля. Такая связь может привести к протеканию резонансного тока в шасси, что приводит к сбоям в тестировании ЭМС, даже когда система проходила тест в лабораторных условиях. Обычная стратегия OEM-производителей по противодействию этим аспектам заключается в применении (электромагнитного) экранирования трансмиссии. Однако экранирование увеличивает стоимость и вес автомобиля. Таким образом,
В нашем моделировании мы сравнили три сценария. В сценарии 1 - все компоненты размещены в соответствующих металлических корпусах, но общего экранирования нет, а все кабели неэкранированы. В сценарии 2 - вокруг инвертора и фильтра был добавлен общий корпус, а в сценарии 3 - все компоненты экранированы. Возбуждение в имитационной модели осуществляется внутри инвертора, и рассчитывается (зависимая от частоты) связь от инвертора к батарее. Такой подход позволяет анализировать муфту для широкого диапазона возможных рабочих частот трансмиссии.
Результаты моделирования представлены на рис. 3. Как и ожидалось, эмиссия от инвертора к батарее является самой высокой в сценарии без дополнительной защиты. Очень интересным результатом является тот факт, что дополнительные экраны, добавленные в случае B, не улучшают значительно спектр излучения. Если уровни излучения удовлетворительны уже в случае А, то дополнительное экранирование случая В не требуется, что экономит время и вес. Если уровни выбросов по-прежнему слишком высоки, необходимо изменить стратегию экранирования.
Одной из сильных сторон моделирования является возможность визуализировать электрические и магнитные поля, невидимые человеческому глазу. Для обоих случаев с экранированием излучение имеет пики на частотах 100 кГц и 37 МГц, как уже было сделано из рисунка 3. На рисунке 4 мы отобразили электрическое поле на этих частотах. Мы можем четко заключить, что оба резонанса являются результатом геометрии моторного отсека, где токовые петли могут образовываться через компоненты шасси. Очевидно, что эти петли отсутствуют в лабораторной установке и возникают только после того, как вся трансмиссия будет смонтирована внутри транспортного средства. Оценка этих частот без полностью собранного прототипа автомобиля возможна только с помощью моделирования.
Для анализа безопасности человека мы разместили датчики магнитного поля внутри моторного отсека. Они показаны синими стрелками на рис. 5. Предел ICNIRP для воздействия магнитных полей зависит от частоты, как показано пурпурной линией на рис. 6. Чтобы рассчитать правильный спектр магнитного поля, к инвертор. Использовалась частота ШИМ 10 кГц, а частота синуса для привода двигателя была выбрана равной 500 Гц. Поскольку основной вклад в ток вносит сигнал с частотой 500 Гц, мы также наблюдаем самое сильное магнитное поле на этой частоте. Все датчики в этом примере находятся ниже предела INCIRP, но не слишком далеко от этого предела на частоте 500 Гц. Поскольку в этом примере было рассмотрено только несколько положений зонда, рекомендуется продолжить исследование, включив в него больше положений.
#cst Studio suite #cst #simulia #3д моделирование #электромагнитное моделирование #элеткромобиль #наука и образование #наука и техника #наука
