Новые возможности ANSYS в области моделирования электромагнитных полей

Алексей Клявлин
Инженер технической поддержки отдела инженерного анализа, группа компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»

Уважаемые читатели журнала «САПР и графика»! Данная статья продолжает постоянную рубрику, посвященную программному обеспечению ANSYS, Inc. и возможностям его применения. Инструменты моделирования компании ANSYS, Inc. широко используются во всех отраслях промышленности для инженерных и научных расчетов в области динамики и прочности, газо­ и гидродинамики, теплообмена и электромагнетизма. В этой публикации мы сделаем обзор новых возможностей и улучшений, реализованных в линейке программных продуктов ANSYS 14.0 для моделирования электромагнитного поля в Maxwell 15.0.

Подготовка расчетной модели с применением различных CAD-редакторов

Электромагнитные и электромеханические расчеты с ANSYS Maxwell

Maxwell включает решатели для 3D/2D­анализа магнитных переходных процессов, гармонических, магнитостатических, электростатических полей, задач проводимости постоянного тока, электрических переходных процессов, которые точно определяют величины поля, а также усилия, вращающий момент, емкость, индуктивность, сопротивление и импеданс. Программа автоматически генерирует нелинейные эквивалентные схемы замещения моделей из полевого решения, которые в дальнейшем могут использоваться для анализа систем и цепей. Также предоставляется возможность выполнить всесторонний анализ модели с ее схемой включения и управления, механическими нагрузками и другими важными параметрами.

Simplorer объединяет модели конечных элементов и схему замещения асинхронного двигателя

Геометрия и свойства материалов

Ранее, работая в единой среде ANSYS Workbench с модулями для электромагнитного анализа HFSS, Maxwell и Q3D, пользователи применяли промежуточные файлы экспорта геометрии для междисциплинарной связи с ANSYS Static Structural, Thermal, Fluent. В последнем обновлении ANSYS Workbench простое перетаскивание частей модели, созданных в современных CAD­редакторах (Pro/ENGINEER, SolidWorks, Solid Edge, CATIA, Autodesk Inventor, NX Siemens и др.), позволяет подготовить и отредактировать расчетную модель, например, при помощи DesignModeler. Заданные в модулях электромагнитного анализа свойства материалов при установленной связи передаются в ANSYS Static Structural и Thermal, что ускоряет ввод данных. Из использованных при создании модели переменных формируется Parameter Set, обеспечивающий функционал для параметризации и оптимизации модели.

Maxwell объединен с ANSYS Fluent для определения теплового исполнения индукционной машины

Динамическая связь с ANSYS Simplorer

Главной особенностью Maxwell является возможность создания высокоточных моделей пониженного порядка для применения в ANSYS Simplorer — инструменте многоуровневого, системного моделирования. Процесс проектирования основан на электромагнитном расчете и позволяет объединять сложные цепи с эквивалентными схемами компонентов устройства. Наряду с функцией проведения совместного анализа Maxwell 2D/3D, RMxprt — Simplorer, где модель конечных элементов или схема замещения электрической машины управляется сложной электрической схемой, в последнем обновлении появилась возможность выполнять подобные расчеты в связке с ANSYS Fluent, ANSYS Icepak и ANSYS Mechanical без каких­либо промежуточных файлов.

Свойства материалов

В предыдущих версиях программы была возможность учитывать влияние температуры на свойства электропроводности элементов модели. Внешние магнитные поля и нагрев изменяют магнитные свойства магнитотвердых материалов, приводя к их размагничиванию. В новой версии Maxwell добавлены аналитические возможности, которые позволяют исследовать особенности размагничивания постоянных магнитов. Инструменты позволяют учесть эти эффекты для точного определения производительности машин.

Наряду с заданием анизотропной намагниченности материалов, в новой версии стало возможным определение изотропной намагниченности материала под воздействием произвольного намагничивающего поля.

Задание шихтованного конструктива и нелинейных анизотропных свойств материалов теперь доступно как для трех­, так и для двумерных моделей.

Приложение SheetScan, входящее в состав Maxwell, RMxprt, позволяет работать с диаграммами нелинейных свойств материалов, предоставляемыми их производителями для облегчения ввода данных, например, зависимости BH.

Быстрое решение масштабных задач

Новая версия Maxwell обладает 64­битным пользовательским интерфейсом и решателями, что позволяет работать с большими моделями без потери точности решения и снижения геометрической детализации. Технология включает многопроцессорную обработку на каждой стадии в ходе решения; инновационные методы, реализованные в решателях, обеспечивают повышенную скорость анализа электромагнитного поля.

Аксиальная машина автоматически создана в Maxwell с использованием RMxprt

Новый функционал решателей

В трехмерном гармоническом решателе добавлена опция подключения элементов высокого порядка для улучшения точности вычисления индуцированных токов (J) от формулировки T­?. Элементы более высокого порядка обеспечивают первую степень аппроксимации для токов. Так же как и для решения во временной области, стало возможным определять потери в электротехнических сталях и ферритах посредством ввода коэффициентов Kh, Kc и Ke.

Решатель переходных процессов электрического поля стал поддерживать максимальный шаг времени, который может быть задан как функция.

Улучшения в связке с ANSYS Workbench

Теперь Maxwell доступен в рамках ANSYS Workbench, где геометрия и свойства материалов распределяется между набором модулей ANSYS, включая Maxwell, для решения задач электромагнитно­тепловой деформации. Двусторонняя связь по напряженному состоянию ANSYS Mechanical обеспечивает обновление деформированной сетки Maxwell для дальнейшего пересчета магнитного поля. Для точного исследования охлаждения электромеханических устройств реализована двусторонняя связь с FLUENT через Workbench.

RMxprt предоставляет быстрый доступ к важным характеристикам машины в удобном для работы генераторе отчетов. На листах отчета перечисляются все соответствующие входные и вычисленные параметры; графические отчеты включают информацию о потоке, напряжении, вращающем моменте, противоЭДС и детально отображают расположение обмоток

Оптимальный процесс проектирования электрических машин в ANSYS Maxwell + RMxprt

Для обеспечения эффективного процесса проектирования электрических машин и генераторов в состав ANSYS Maxwell входит модуль RMxprt. Используя классическую аналитическую теорию расчета электродвигателей и методы эквивалентных магнитных цепей, RMxprt вычисляет производительность машины и выполняет сотни исследований «что если» за секунды. Инструменты проекта автоматически производят полную передачу 3D­ или 2D­геометрии в Maxwell. Задаются настройки движения и механические нагрузки, свойства материалов (учитывая коэффициенты потерь), обмотки, источники питания (включая схему управления двигателем), после чего выполняется подробный конечно­элементный анализ в Maxwell.

Благодаря применению аналитических методик RMxprt быстро вычисляет характеристики электрических машин, такие как вращающий момент от скорости, потери мощности, поток в воздушном зазоре, коэффициент мощности и эффективность.

Осевое распределение магнитной индукции в аксиальной машине с постоянными магнитами

Редактор шаблонов машин

RMxprt предлагает многочисленные машинно­ориентированные, основанные на шаблоне интерфейсы. Вы можете легко войти в параметры проекта и оценить конструкцию в процессе проектирования.

• роторы;
• статоры;
• слоты;
• стратегия работы;
• схемы управления.

Типы машин

• Индукционные машины;
• однофазные двигатели;
• трехфазные двигатели;
• двигатели/генераторы с фазным ротором;
• синхронные двигатели;
• PM­двигатели линейного старта;
• явнополюсные двигатели /генераторы;
• неявнополюсные двигатели /генераторы;
• щеточные двигатели;
• DC­двигатели /генераторы;
• DC­двигатели с постоянными магнитами;
• универсальные двигатели;
• бесщеточные DC­двигатели;
• PM­двигатели/генераторы с регулируемой скоростью;
• вентильно­индукторный двигатель;
• генераторы с когтеобразными полюсами;
• машины аксиального типа.

Выходные диаграммы

• Ток;
• момент трогания;
• поток в воздушном зазоре.

Типы новых электрических машин

Другие технические возможности моделирования ANSYS

Удобное моделирование/редактирование

• Библиотека проводов: ANSI/IEC­провода;
• графический редактор обмоток;
• редактор поперечного сечения.

Улучшения и нововведения RMxprt

В обновленный RMxprt добавлена поддержка анализа трехфазной индукционной машины в генераторном режиме. Для однофазной индукционной машины можно использовать ротор с закрытым пазом. Появились два новых вида машин: аксиального типа и машины со встроенными в ротор постоянными магнитами (IPM rotor). Для последних пока отсутствует аналитическое решение, но RMxprt генерирует конечно­элементную модель для подробного электромагнитного анализа в Maxwell 2D/3D.

В данной статье мы отметили лишь основные новшества 15­й версии Maxwell, RMxprt, немного поговорили об ANSYS Workbench и Simplorer. Дополнительную информацию вы можете запросить на нашем сайте www.delcam­ural.ru в разделе «Вопрос­ответ» или на сайтах www.ansys­club.ru
и www. ansys.ru, задав вопрос экспертам. Кроме того, на упомянутых сайтах вы можете найти ряд интересных и полезных информационных материалов по различным модулям ANSYS. Мы хотим, чтобы публикации были интересны читателям, поэтому предлагаем вам поучаствовать в выборе наиболее актуальных тем для обсуждения на страницах журнала. Ждем ваших пожеланий на сайтах!

САПР и графика 3`2012