Simulações eletromagnéticas como parte do seu processo de projeto
- Alvaro Filho
- há 2 dias
- 6 min de leitura
Engenheiros eletromagnéticos (EMAG) e elétricos se sentem à vontade com os pacotes simplificados de Engenharia Assistida por Computador (CAE) da EMAG, como Simcenter SPEED, Simcenter E-Machine Design e Simcenter MAGNET. Colegas de Projeto Assistido por Computador (CAD) geram uma geometria com defeito, composta apenas por peças ativas da EMAG. Se houver problemas de CAD, como extrair a geometria de uma montagem ou erros de malha, o projeto é enviado de volta aos projetistas de CAD, e o tempo começa a correr.
Podemos continuar assim?
Com a corrida pela eletrificação, há uma necessidade de maior cooperação entre as diferentes equipes. Os designers de produto nos dão "a aparência e a sensação" do produto – a pele. Os designers de CAD distribuem os espaços. Os engenheiros de CAE trabalham, então, dentro das restrições, para adicionar a física necessária para otimizar o produto.
Dedicar tempo à comunicação e ao alinhamento entre equipes é visto como parte inerente do processo, e a frase "é assim que as coisas funcionam em grandes empresas" é uma queixa comum. Processos abaixo do ideal podem ter sido aceitáveis quando os componentes eletromagnéticos eram um acessório do seu produto. No entanto, hoje em dia, um acionamento elétrico é a base de muitos produtos, e perder tempo em iterações com outros departamentos pode dobrar seus ciclos de desenvolvimento e disparar os custos de P&D. Além disso, a alta concorrência e a falta de recursos de engenharia tornam insustentável continuar perdendo tempo em iterações sem sentido.
E quanto às mudanças CAD upstream que afetam os corpos EMAG?
Não é incomum que um engenheiro da EMAG trabalhando em um trem de força elétrico receba um arquivo CAD neutro detalhado. Frequentemente, esses arquivos, embora consistindo de um conjunto de carcaça e transmissão, são não associativos. Os arquivos não terão o rotor, o núcleo do estator ou ambos e são mais visuais do que funcionais para o CAE. Isso desencadeia um vai e vem entre as equipes da EMAG e do CAD, que agora precisam limpar e simplificar a geometria e verificar os materiais. Somente após esse processo de limpeza, um engenheiro eletromagnético pode iniciar seu trabalho real de busca por um conceito e validação do projeto proposto.
Devido às atuais taxas de juros crescentes e aos custos mais altos, os Gerentes de Projetos no segmento de VE (Veículos Elétricos) estão sob pressão elevada, para cumprir os prazos de entrega dos veículos com custos elevados se não forem controlados. Como resultado, você pode ouvir os seus pedindo à sua equipe para reduzir o peso e o volume dos componentes. Como engenheiro da EMAG, você se verá criando uma maneira de apressar os projetistas de CAD da sua época. Fique tranquilo; você não é o único. Os projetistas de CAD devem refletir as novas atualizações de CAD e ajudar as equipes de CAE a atualizar suas geometrias. Como você pode imaginar, os e-mails, ligações e reuniões para que isso aconteça são extensos, e o impacto no cronograma de lançamento no mercado é enorme.
Como economizar tempo?
Um sistema que permite ao engenheiro eletromagnético atualizar automaticamente seus modelos para o projeto CAD mais recente, com o mínimo de intervenção do projetista, aumentará a produtividade. Você pode ver um exemplo de um processo possível neste breve vídeo. O vídeo mostra como atualizar uma geometria de motor elétrico 2D extraída de um conjunto de veículo devido a alterações no diâmetro externo do estator.
O vídeo começa focando no trem de força elétrico e, gradualmente, isola o motor elétrico do restante do conjunto. Em seguida, não apenas os corpos eletromagnéticos ativos são capturados, mas também são associados ao conjunto. Em seguida, adiciona-se tudo o que é preciso para a simulação: as regiões de ar e remesh, as geometrias 2D do rotor e a malha de elementos finitos para completar. Por fim, aciona-se uma alteração a montante no diâmetro externo do estator, que você pode ver nas atualizações na malha. A conexão CAD do ambiente Simcenter permite que você se concentre em seu trabalho – a análise eletromagnética.
Extração e geometria associativa de motor elétrico 2D de um conjunto de veículos
Agora, vamos voltar a atenção para o impulso global para reduzir o peso e integrar motores elétricos. Há uma necessidade de controlar os níveis de ruído e eliminar o calor em motores elétricos cada vez menores. Estes exigem refrigeração líquida mais complexa e projetos que garantam que os ímãs não se soltem, o que mudará a estrutura eletromagnética.
Como você atualiza o modelo eletromagnético com mudanças geométricas orientadas por múltiplas físicas?
Em um fluxo de trabalho tradicional, as atualizações de modelos não associados feitas por outros grupos exigiriam que o engenheiro da EMAG repetisse o fluxo de trabalho com a equipe de projeto e todos os e-mails e ligações relacionados. Você se sentiria condenado se não tivesse associatividade! Além disso, o problema só piora com o aumento do número de domínios da física em consideração.
Os trens de força elétricos passam por uma série de iterações de simulação multifísica antes que os engenheiros definam um projeto. Essas mudanças horizontais são impulsionadas mutuamente por análises eletromagnéticas, térmicas, estruturais e de ruído e vibrações (NVH). Com engenheiros de cada departamento trabalhando simultaneamente com uma ferramenta não associativa, a probabilidade de um engenheiro trabalhar em um modelo desatualizado em vez do melhor projeto atual é notavelmente alta.
Como você acompanha a geometria CAE atualizada?
Felizmente, existe uma referência – embora sutil em um ambiente isolado. O CAD de projeto é o único elo comum entre a física e os requisitos do produto, como custo, que está atrelado ao volume e à massa. Conforme ilustrado na Figura 1, se o CAD de projeto estiver sendo atualizado continuamente, significa que todos os engenheiros de CAD e CAE estão acessando a mesma geometria simultaneamente. Obviamente, a atualização e o acesso são controlados em um ambiente gerenciado. Isso significa que você não terá resultados obsoletos em suas reuniões de projeto. Para eletromagnéticos, a geometria refletirá as alterações horizontais e a montante aprovadas recentemente.
Figura 1 - Um projeto CAD atualizado captura mudanças geométricas impulsionadas pelos requisitos do produto upstream e pelas interações físicas horizontais
Por exemplo, na Figura 2, tem-se a evolução das peças do estator EMAG de um projeto eficiente baseado apenas no desempenho eletromagnético para um que acomoda os canais de resfriamento nas bobinas. Observe que há redução no torque porque o volume agora é limitado. Isso ocorre porque o primeiro projeto contém mais aço e, portanto, pode transportar mais fluxo magnético.
Como pode ver no vídeo, pode-se associar as partes ativas do eletromagnético ao projeto CAD. Após um estudo paramétrico para escolher a largura final do canal, essa alteração geométrica foi introduzida no projeto CAD. E como a geometria usada para a simulação eletromagnética é associativa, foi apenas uma questão de executar novamente a solução com as alterações.
Figura 2 - O efeito da introdução de canais de resfriamento entre bobinas no desempenho do EMAG
O que isso realmente significa?
Em um processo de projeto multifísico como o necessário para uma máquina eletrônica, ter um fluxo de trabalho otimizado pode economizar centenas de horas de engenharia. Você só gasta o esforço de configuração inicial uma vez! O restante é apenas iterar o projeto, impulsionado pelos requisitos do produto e pelas mudanças físicas.
O fluxo de trabalho associado ajuda a superar a abordagem compartimentada e o viés da física única no desenvolvimento. Um dispositivo eletromagnético eficiente pode não ser estruturalmente sólido ou mesmo impossível de fabricar. Ao capturar o que é possível por meio de restrições geométricas e interações físicas, chega-se a um design mais realista. Ao mesmo tempo, isso ajuda a gerenciar nosso próprio viés interno em relação à física e a trabalhar em conjunto para um bom equilíbrio de desempenho. O que você acha adequado para a física do projeto pode não ser necessariamente bom para o desempenho geral do produto. Um processo de design integrado permite fazer essas iterações e convergir muito mais rápido!
Em resumo, o processo associado discutido neste blog reduz o tempo perdido, permitindo que os produtos sejam desenvolvidos mais rapidamente. Esse processo ajuda engenheiros e designers a definir um conceito mais rapidamente, garantindo que todos estejam trabalhando no modelo mais atualizado. Ao mesmo tempo, garante que desvantagens como viés em relação a modelos físicos específicos ou equipes isoladas não ocorram. Construa seu próximo motor elétrico mais rápido, melhor e, em termos de horas de engenharia, mais barato.
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