電機系統仿真與數字孿生解決方案系統仿真與數字孿生技術概覽系統仿真&基于仿真的數字孿生System

SimulationDigitalTwin基于仿真的數字孿生?

通過集成多學科系統模型為在運營中的物理設備構建連接的虛擬副本,為物理設備的生命周期運行體驗建立鏡像?支持系統設計和優化、預測性維護和優化工業資產管理虛擬設備（模型）基于經驗/理論公式的模型基于數據的模型基于三維幾何建模的模型實際設備數字孿生的模型分類設備使用人員/設備控制系統基于仿真的模型DigitalTwin(Virtual

Replica)PhysicalAsset

(In-service)傳感器

—一輸入輸出15%收入收益1?

新的商業模型?

提高生產力和加

速新產品的引進?

競爭優勢1.McKinsey&Company:

Five

Keysto

DigitizingAerospace

and

Defense2.CompaniesAviationWeekMRO10%降低成本1?

保修成本降低?

運營效率?縮短設計和開發周期30%維修周期改進2?

提高維護效率數字孿生的效益明顯6+虛擬傳感器觀測關鍵數據基于物理的精確度，

提高投資回報率在實際部署前

進行方案演習實現惡劣工

況的模擬仿真正被置于數字孿生實施的中心/ns

ysSimulation-based

DigitalTwinsIIoT

andDataAnalytics口<>o7構建精確、基于物理的仿真模型導出TWIN模型并與IIoT平臺連接進行運營部署驗證和優化仿真模型實現數字孿生價值的方案所必須的能力8將孿生體部署到IIoT或邊緣設備驗證Twin

Builder三大主要功能建立基于物理的精準數字模型驗證和優化系統模型系統驗證與優化構建系統模型系統預測維護構建部署?把系統模型部署到運行環境提升運營維護?通過虛擬傳感器觀測不易通過傳感器采集的數據或場狀態?

對設備的壽命等進行預測性維護?

排故方案預演?把系統模型部署到測試環境用于半實物試驗?構建虛擬傳感器觀測不易通過傳感器采集的數據或場狀態?進行現實難以模擬的惡劣工況測試、故障注入?

測試及優化系統運行性能?在系統設計的早期構建系統一維模型并驗證?通過Modelica、VHDL-AMS等構建系統模型?通過特有的三維模型降階技術把三維模型引入系統仿真?通過因為三維模型構建精度更高的系統仿真ANSYSTwin

Builder在產品研制過程中的應用場景系統一維與三維混合模型仿真系統模型用于虛擬

試驗虛擬模型用于設備

運營維護系統一維模型仿真模型仿真結果需求需求23:閥門在500us內關閉X功能仿真Postruefalse

0Pmaxt系統仿真(0D)PosPmax0

500us

t高置信度仿真

(3D)-開環驗證ActuatorPos500usPmaxt系統驗證(0D-ROM-Ctrl)-閉環驗證Pos0Pmaxt500us一個不同精度系統仿真例子500us11支持多種建模語言?

支持Modelica,VHDL-AMS,C/C++,SPICE

等語言可擴展的多學科專業模型庫?電氣,、電子、機械、流體、熱力、信號庫等與第三方工具(包含1D)集成?

支持FMI/FMU,與ANSYS3D和第三方Model

Exchange&co-

simulation3D降階模型生成與集成?

通過ROM

(Dynamic,Static

and

DX)實現3D物理模型的簡化與嵌入式軟件集成?SCADE

Suite,SCADE

Display

等建模階段的優勢與能力?便捷的多源異構模型構建平臺?支持多物理、多語言、高保真

模型構建系統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支持各種不同學科模型的集成及仿真高置信度系統仿真（1D+3D耦合仿真）3D降階模型（置信度高，

計算速度高）

以系統為主的1D+3D耦合仿真的難點一個步長計算，毫秒級

一個步長計算，毫秒-幾百毫秒機1D模型（置信度低，計

算速度高）集成后處理的多域仿真?

分析和優化系統中多學科組件之間的交互快速人機界面原型設計?

通過功能強大、易于設計和交互式的圖形面板增強模擬體驗系統驗證和優化?

支持DoE、參數掃描和腳本

(VBA/Python)XiL集成?

支持模型在環(MiL)和軟件在環(SiL)在環工作流程驗證階段優化與能力?確保產品的可靠性和魯棒性?通過優化工具優化系統性能?輕松集成與驗證測試數據驗證階段:高可靠性與集成優化快速連接到受支持的IIoT平臺?

配置連接器用于連接到IIoT平臺，發送和接收操作數據?

ANSYS

Twin

Builder使能IIoT的工程預測能力導出和部署生成的模型?從Twin

Builder導出可部署可兼容的數字孿生模型（.twin文件）部署階段優勢與能力?

優化運營?

預測性維護部署部署階段:高效預測與診斷System

LibrariesTwin

BuilderSystem

Model+

+

OfflineComputeTwin

Modelforcloud/edgedeployment

Twin

Builder數字孿生設計及部署流程DigitalTwin

PartnersLTI

&

LPVStaticDynamic

ROM

ExtractionCapabilitiesroRrValidated

3D

Physics

ModelsData-

basedFMUfor

Simulation

workflowsTest

DataTwin

ModelforControl

ModelsSoftware,ROM

Solver

ROM

數字孿生運行于云上ANSYS平臺在云上部署數字孿生的解決方案物理原型傳感器數據ANSYSTwin

Builder導出

的數字孿生文件試驗校正動作應用校正動作傳感器數據仿真結果異常情況虛擬原型分析洞察智能機械IoT平臺電機系統仿真

OUTLINE?

電機ECE模型的快速仿真

-Twin

Builder+Maxwell?

電驅系統場路協同瞬態聯合仿真

-Twin

Builder+Maxwell?

逆變器電磁-熱耦合仿真分析-Twin

Builder+Icepak?

電機驅動系統中電機Coreloss快速仿真

-

Dynamic

ROM應用:Twin

Builder+Maxwell?

電驅系統的EMC仿真

-傳導EMI仿真:Twin

Builder+OtherCAEComponents?

電機的溫度場快速仿真-

Dynamic

ROM應用: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電機系統介紹N0121N0132

N0131

N0130

N0129

N0128

N0134

N0135N0125

N0133ACMVariableVoltage/

FrequencyConverterInverterControlcircuit(PCB)PowerElectronicsMachineBatteryPowerDC

Bus 電機系統FOC控制框圖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瞬態求解器介紹?

永磁電機的ECE模型創建流程-Step1：對于每個電流掃描值和每個轉子位置，將輸入電流從所選格式（d-q,a-β,振幅相位）轉換為適用于Maxwell模型的三相繞組電流源-Step2：在Maxwell中進行有限元仿真，得到相磁鏈和轉矩-Step3：對得到的磁鏈進行反向變換-Step4：創建適用于系統仿真的Look-upTable

Maxwell瞬態求解器介紹?

ECE

model

等效電路模型sub

circuit*.smlfileMotorand

Load?

電機(ECE

model)?

電阻和端部電感?

負載轉矩和慣量Controller?

速度-電流雙閉環?

PI控制器?

SVPWM電機控制系統?電機驅動系統仿真包括控制器、驅動電路、電機和機械負載。Inverter?

全橋電路?

電壓源25結果26優化電機驅動系統發揮電機最優性能直軸電感和交軸電感的計算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]>電流環中，D軸的電流不再是定值控制，D軸和Q軸的電流分布根據速度環的電流分配表進行兩軸的電流

分配。優化電機驅動系統發揮電機最優性能

內嵌式永磁電機的MTPA控制進行Maxwell-Twin

Builder瞬態聯合仿真?從Twin

Builder菜單欄選擇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逆變器電-熱耦合仿真分析(逆變器損耗和熱模型)1T,

1DSW

loss

+

DCExaminationoftemperaturecycleloss1T,

1DjunctiontemperatureAmbienttemperature=20celPackagetemperatureLinecurrent1D1T電機驅動系統中電機Coreloss快速仿真FEAModel(Maxwell)Dynamic-ROM

ModelAdvanced

ControlECE

Model32控制系統仿真?

電機(ECE

model)?

電阻和端部電感?

負載轉矩和慣量Dynamic-ROM模型

Core-Loss計算公式Core-LossInverter

Motor

and

Load

??

速度-電流雙閉環?

PI控制器?

SVPWM

Controller?

全橋電路

?

電壓源33?

Twin

Biulder

中Core-Loss結果1.Settingtargetspeed

(1000rpm)2.Add

loading

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

Maxwell中Core-Loss結果1.Settingconstantspeed

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

phase

current35LISN電機及驅動系統傳導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系統仿真I動畫

電機周圍的熱流分布

電機轉子的溫度情況是影響電機壽命的重要因素

電機周圍的熱流分布

電機三維熱流模擬需要大量的時間，特別是瞬態流動的模擬。

Dynamic

ROM使得通過機器學習來估計“實時”的最高溫度成為可能。

雖然熱傳導是造成電機最高溫度的主要因素，但是電機周圍的熱流分布具有非線性

ANSYS

Dynamic

ROM技術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