Ansys dans le développement du système de propulsion de l’UTM Hyperloop
Quel type de moteur est le mieux adapté au système de propulsion de l'Hyperloop de l’UTM? Tim Hofmann et son équipe ont pris cette décision fondamentale sur la base de leur cahier des charges. Un moteur électrique linéaire s'est imposé et la simulation avec Ansys a permis de déterminer la configuration optimale.
La simulation permet d'appréhender et de comprendre les détails. Compte tenu des conditions limites de "production rentable", de "conception compacte" et de "fonctionnement efficace", la simulation est utilisée pour déterminer comment un moteur d'une conception et d'un espace de conception donnés peuvent fournir des performances mécaniques maximales, c'est-à-dire l'accélération et la vitesse. L'alternative à cette méthode est le calcul analytique, mais l'effort à fournir serait immense. Leur utilisation est donc limitée à la vérification et à la confirmation des résultats de la simulation.
Un moteur synchrone linéaire se compose d'un stator (bobines électromagnétiques le long de la piste) et d'un système d'excitation en mouvement commun qui génère un champ magnétique statique. L'interaction entre le champ électromagnétique du stator, qui est alimenté par un courant alternatif triphasé, et le système d'excitation conduit à la génération d'une force de poussée. Cette force de poussée doit accélérer le système contre son inertie et la faible résistance de l'air associée à l'hyperloop. L'interaction des champs électromagnétiques est à l'origine du mouvement.
Les simulations électromagnétiques, ainsi que les simulations mécaniques et thermiques, sont également importantes pour la conception de ce système de propulsion. Ces trois types de simulation sont interdépendants. Les simulations mécaniques sont utilisées pour garantir la stabilité d'une conception, en tenant compte de la température des différents composants, qui dépend de l'état de fonctionnement, par exemple la génération de chaleur ohmique dans les bobines. Que ce soit pour la mécanique, les champs de température ou l‘électromagnétisme - Tim Hofmann et son équipe utilisent les outils d'apprentissage Ansys et CADFEM pour analyser chacun de ces domaines et leurs interactions.
Vite, plus vite, Hyperloop
Partout dans le monde, on travaille sur l'Hyperloop, le système de transport incroyablement rapide du futur. L'équipe Hyperloop de l’UTM, composée d'étudiants, de professeurs et de chercheurs de l'Université technique de Munich, est à la pointe de ces travaux. Grâce notamment à des outils de développement de pointe, la réalisation de la vision d'Elon Musk est à portée de main à l’UTM. Cela inclut les simulations avec Ansys ainsi que le transfert de savoir-faire par CADFEM. Vers l'article de synthèse TUM Hyperloop & CADFEM
Simulation électromagnétique en trois étapes
Examinons de plus près l'électromagnétisme. Le processus de simulation comprend trois étapes : des analyses statiques en 2D, des analyses statiques en 3D et, en fonction de la capacité de calcul, des analyses transitoires en 2D ou en 3D. Les questions suivantes sont traitées au niveau des composants :
- Quelle est la distribution du flux magnétique générée par le système d'excitation et quelle est l'influence des modifications apportées à la conception du système d'excitation sur la distribution du flux magnétique ?
- Quelle distribution du flux magnétique le champ électromagnétique des bobines du stator génère-t-il et quelle est l'influence des modifications de la conception des bobines sur la distribution du flux magnétique ?
Les deux systèmes sont optimisés à l'aide d'Ansys Electronics Desktop pour obtenir une densité de flux magnétique maximale dans une zone locale spécifique. Les composants sont ensuite modélisés comme un système complet et la force de propulsion dépendante du temps est déterminée.
Un module du stator du système de propulsion du démonstrateur TUM Hyperloop à Ottobrunn près de Munich. À gauche, la géométrie des bobines avant qu'elles ne soient simplifiées pour les simulations électromagnétiques afin d'améliorer la conception de manière itérative sur la base des résultats de la simulation. La mise en œuvre réelle est illustrée à droite, ce qui permet d'effectuer une série de tests et de reconfirmer les résultats de la simulation et d'en tirer des conclusions pour les simulations suivantes.
Mission accomplie
Les simulations ont fourni des informations précieuses pour le développement d'un moteur synchrone linéaire précisément adapté aux exigences de l'entraînement de l'Hyperloop de l’UTM. Ce moteur a fait ses preuves sur le banc d'essai de 5 mètres de long, qui fonctionnait avec un onduleur de 30 kW. Après une mise au point sur la base des connaissances nouvellement acquises, la comparaison des valeurs de simulation et d'essai et des simulations supplémentaires, le système de propulsion du démonstrateur Hyperloop de l’UTM a été mis au point et est actuellement en service.
Tim Hofmann est conférencier à la conférence CADFEM 2024
Tim Hofmann est l'un des orateurs de la conférence CADFEM qui se tiendra les 10 et 11 avril 2024 à Darmstadt. Dans sa présentation "Electromagnetic design of high-temperature superconducting coils with simple simulations in Ansys Maxwell", il donnera un aperçu plus approfondi des développements techniques du système de propulsion basé sur le démonstrateur Hyperloop de l’UTM et de son travail avec Ansys. www.cadfem.net/conference
