수년 동안 시뮬레이션을 위한 3D 모델 준비의 모범 사례는 먼저 3D 형상을 가져온 뒤, 가장 작은 원주 방향 대칭을 정의하는 방식이었다.
방사형 필드 설계의 경우, 대칭 3D 설계인 3D 슬라이스를 나머지 3D 형상에서 분리하기 위해 두 개의 방사형 평면 절단을 먼저 적용하였다. 이후 이 절단면은 해당 대칭을 지정하기 위한 경계 조건을 정의하는 데 사용되었다.
이 방식은 여전히 현대적인 접근법이었으며, 시뮬레이션 업계에서 널리 사용되었다.
이미 계산 비용이 높은 시간 단계 해석에서 시뮬레이션 설계 공간을 줄이고 전체 계산 시간을 단축하기 위해 활용되었다.
설계 공간이 줄어들면 메시 생성기는 더 대칭적이고 규칙적인 메시 토폴로지를 적용할 수 있었으며, 이는 유한 요소법이 모터 성능 예측에 미치는 수치적 영향을 최소화하는 데 도움이 되었다.
하지만 3D 형상이 더 복잡해질 때 설계자가 마주하는 문제는 아직 해결해야 할 부분이 남아 있었다.
스큐 로터 또는 스큐 스테이터 구성을 포함하는 3D 설계와 그 전기 모터 토폴로지는, 유효한 최소 기하학적 대칭과 필요한 전자기 조건 사이에서 절충이 필요하였다. 또한 어떤 대칭을 사용해 모터 성능을 계산하더라도, 설계자는 필드 해석 결과를 전체 3D 형상 위에 다시 표시하기를 원하였다.
복잡한 3D 모터 형상이 만든 시뮬레이션 과제
소음, 진동, 승차감과 관련된 NVH(Noise, Vibration and Harshness)와 같은 다물리 시뮬레이션에서는 3D 전자기 문제가 더 복잡해졌다.
열 관리 역시 또 다른 문제를 제시하였다. 특정 물리 조건을 만족하려면 전체 3D 설계 공간의 해석 결과가 필요할 수 있었기 때문이었다.
현재 설계자들이 복잡한 3D 형상을 다루던 방식
설계자들이 일반적으로 복잡한 3D 형상에 접근하는 방식에는 여러 가지 단점이 있었다.
예를 들어 CAD 형상을 가져오면 전자기 시뮬레이션에 필요하지 않은 세부 요소까지 함께 포함될 수 있었다. 이 경우 불필요한 요소를 제거하는 데 시간이 필요하였다.
반대로 형상을 처음부터 새로 만들면 CAD 기술이 필요했고, 그에 따른 시간과 비용도 발생하였다.
앞서 언급한 것처럼, 방사형 평면 절단을 통해 원주 방향 대칭인 3D 슬라이스를 정의하는 방식은 형상에서 올바른 대칭을 항상 포착하지는 못하였다. 특히 모터가 스큐 구성을 보이는 경우 문제가 더 커질 수 있었다.
평면 절단은 3D 슬라이스 모델을 나머지 형상과 분리해야 했으므로, 열 관리 또는 NVH 분석과 같은 다물리 결합 설계에서 전체 3D 형상으로 전자기 데이터, 즉 손실이나 힘을 전달하기 어렵게 만들었다.
또한 시뮬레이션 정확도를 확보하기 위해 메시 작업을 수동으로 지정하려면, 메시가 FEA 해석 결과에 미치는 영향을 이해하고 있어야 했다.
Ansys Maxwell의 새로운 접근 방식
이러한 과제를 해결하기 위해 Ansys Maxwell은 2021 R1에서 새로운 솔루션을 도입하였다.
이 솔루션을 사용하면 엔지니어는 어떤 CAD 도구에서든 전체 3D 모터 형상을 가져올 수 있었다. Maxwell은 3D 원주 방향 슬라이스 기반 모델을 자동으로 생성하고, 비평면 절단을 경계 조건으로 적용하며, 형상의 모든 부품에 대응하는 규칙적이고 대칭적인 메시인 클론 메시를 적용하였다.
이 접근 방식은 Maxwell이 원래 3D 공간의 일부만 해석하면서도, 필드 결과를 초기 3D 형상 전체에 다시 표시할 수 있게 하였다.
또한 축소된 설계 공간에서 전자기 해석을 수행함으로써, 전체 3D 형상이 필요한 열 해석 솔버 및 구조 조화 해석 솔버와의 결합도 가능하게 하였다. 이는 서로 다른 물리 특성에 의해 전체 3D 형상이 요구되는 경우에 유용하였다.
비평면 절단 경계 조건의 핵심 이점
이 방법의 핵심은 축소된 설계 공간에서 적절한 전자기 대칭을 지정하기 위해 비평면 절단 경계 조건을 적용하는 것이었다.
이를 통해 계산 비용을 증가시키지 않으면서도, 스큐 로터와 스큐 스테이터에서도 정확하고 대칭적인 메시를 얻을 수 있었다.
이 새로운 방법론은 복잡한 3D 형상의 모터 설계 시뮬레이션을 위한 새로운 모범 사례가 되었다.
초급 엔지니어와 숙련된 엔지니어 모두 프로젝트를 빠르게 진행하고, 모델을 빠른 속도와 정확도로 해석할 수 있게 해주는 강력한 솔루션이었다.
결론
복잡한 3D 전기 모터 형상에서는 단순한 평면 절단 기반 대칭 정의만으로 충분하지 않을 수 있었다.
Ansys Maxwell의 접근 방식은 전체 3D 모터 형상을 가져온 뒤, 3D 원주 방향 슬라이스 기반 모델과 비평면 경계 조건, 대칭 메시를 자동으로 적용하는 방식이었다. 이를 통해 축소된 설계 공간에서 전자기 해석을 수행하면서도, 결과를 전체 3D 형상에 다시 표시하고 열 해석 및 구조 해석과 결합할 수 있었다.
출처 : Ansys How to Model and Simulate Complex Electric Motors
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