ANSYS, Inc.: современные методы моделирования электромагнитного поля

Алексей Клявлин
Инженер технической поддержки Группы компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»

Maxwell — моделирование 2D/3D электромагнитного поля

RMxprt — моделирование вращающихся электрических машин

Simplorer — комплексный подход к моделированию

Наработанные десятилетиями методики инженерных расчетов в области электромагнитных полей известны и применяются специалистами во всем мире. Но сегодня, с повышением требований к качеству, скорости разработки и производства электрических аппаратов, снижению производственных затрат, широкое распространение получают программные комплексы, позволяющие оптимизировать процессы применения таких методик.

Одним из вариантов совершенствования методик расчета магнитных систем, входящих в состав электрических аппаратов, является применение метода конечных элементов для моделирования электромагнитного поля. В данной статье мы расскажем о возможностях программного комплекса ANSYS, использующего современные конечно­элементные технологии для выполнения электромагнитных расчетов.

Схема междисциплинарного анализа в программной среде Ansys Workbench

В марте 2008 года линейка продуктов ANSYS пополнилась новыми модулями компании Ansoft Corporation: Maxwell 2D/3D, RMxprt и Simplorer, предназначенными для исследования электромагнитных полей. Эти модули дополняют многочисленные возможности, которые предоставляет платформа ANSYS Workbench.

Далее мы рассмотрим возможности этих программных продуктов, используемых для проектирования электромагнитных устройств и исследования работы двух­ и трехмерных моделей двигателей, датчиков, трансформаторов и других электрических и электромеханических устройств для различных способов применения. Отличительные особенности данных продуктов по сравнению с другими программами этого же класса — легкость в освоении, интуитивно понятный, дружественный интерфейс, встроенный 2D/3D CAD­редактор, большая база материалов. Тесная интеграция между модулями в ANSYS Workbench позволяет инженерам выполнять электромагнитные расчеты, а также проводить междисциплинарный анализ:

• электромагнитный — стационарный тепловой — статический прочностной;
• электромагнитный — нестационарный тепловой — динамический прочностной;
• передача тепловых нагрузок из Maxwell V14  во Fluent V13 для расчета конвективного охлаждения.

Maxwell  — моделирование 2D/3D электромагнитного поля

Модуль Maxwell  позволяет решать следующие типы задач:

• магнитостатические линейные и нелинейные трехмерные поля, вызванные распространением плотности постоянного тока, напряжения, постоянными магнитами или внешне приложенными магнитными полями. Дополнительные величины, которые возможно определить, — вращающий момент, сила и индуктивность;
• гармонические (eddy current) (синусоидально изменяющиеся во времени) установившиеся трехмерные магнитные поля с индуцированными вихревыми токами в массивных (твердотельных) проводниках, вызванные распространением переменных токов (одинаковой частоты, но, возможно, разных по фазам) или приложенными извне магнитными полями. Решение задачи вихревых токов — это полное волновое решение, включающее эффекты электромагнитного волнового излучения;
• переходный процесс (во временной области) в трехмерных магнитных полях, вызванных постоянными магнитами и обмотками, запитанными источниками напряжения и/или тока с произвольным изменением во времени. Также есть возможность использования электрических цепей для задания возбуждения. Доступны включения в моделирование эффектов вращательного или поступательного движения;
• электрические трехмерные поля, которые могут относиться к одной из категорий:

Намагничивание анизотропного материала: график радиальной составляющей магнитной индукции в каждой точке линии, лежащей на внутренней поверхности намагничиваемого диска

­ электростатические трехмерные поля в диэлектриках, вызванные распространением напряжений и зарядов, заданных пользователем. Дополнительно вычисляемые величины — вращающий момент, сила и емкости,

­ электрические трехмерные поля в проводниках, описываемые пространственным распространением напряжения, электрического поля и плотности постоянного тока. Главная дополнительная величина в этом случае — мощность потерь.

Дополнительный модуль Optimetrics, встроенный в Maxwell, добавляет к проекту параметрический, оптимизационный и статистический анализ. При создании модели с использованием встроенного CAD­редактора геометрические размеры, а также большинство входных данных (свойства материалов, количество витков, возбуждение и т.д.) могут задаваться параметрически. Модуль Optimetrics помогает инженерам оптимизировать геометрию модели, рассчитывать необходимые характеристики при изменяющихся входных данных, анализировать выходные параметры и находить оптимальный вариант конструкции.

Вихретоковый датчик в 2D/3D-постановке. Мнимая часть магнитного потока показывает наличие в поле катушки возбуждения проводящих сред

Стандартные результаты для электромагнитного анализа (скалярные и векторные графики плотности потока, напряженности магнитного и электрического поля, плотности тока, силовых линий магнитного поля и т.д.) дополнены возможностью использования интегрального калькулятора поля, позволяющего производить любые операции с векторным полем. Например, для определения мнимой и действительной составляющей магнитного потока через заданную площадь можно создать выражение для построения графика радиальной намагниченности постоянного магнита вдоль линии, лежащей на его поверхности. Большой интерес представляют графики зависимости величин друг от друга, от времени, а также инструменты для работы с ними (всевозможные математические действия с функциями, заданными кривыми и т.д.).

Задача переходного процесса. При протекании тока обратного направления в медной шине изменяющийся магнитный поток в магнитопроводе наводит вихревые токи в короткозамкнутом витке. Встречно направленные потоки от постоянного магнита и вихревых токов кольца направляют рабочий магнитный поток через якорь, который приходит в движение

Омические потери в проводящих областях, вызванные вихревыми токами или потоками рассеяния, могут послужить источниками тепла для модуля ANSYS Thermal, который вычислит температуру элементов модели и внесет коэффициент поправки на проводимость материалов. Электромагнитные силы, действующие на элементы модели, передаются в модуль ANSYS Static Structural, в котором вычисляются их деформации с учетом температуры частей модели.

Пользователи по достоинству оценят механизм построения адаптивной сетки и контроль сходимости расчета, простоту постановки задач динамики, автоматизированное вычисление глубины «скин»­ слоя, инструмент для определения коэффициентов потерь на вихревые токи и гистерезис. Для использования и редактирования доступна большая база материалов с различными магнитными и электрическими свойствами: линейные, изотропные, анизотропные, кривые размагничивания постоянных магнитов, проводимость, слоистость (шихтовка) материалов и т.д.

RMxprt  — моделирование вращающихся электрических машин

Накопленный опыт проектирования классических машин оказывается практически бесполезным при разработке новых машин нетрадиционных конструкций. Инженерам необходимо правильно рассчитать форму и размеры магнитопровода, определить оптимальную схему включения обмотки и число ее витков, получить максимально большой КПД машины. В частности, задача сводится к пониманию распределения электромагнитного поля. Часто магнитную систему машины нецелесообразно рассматривать в плоской постановке и применять к ее расчету закон Ома для магнитной цепи ввиду больших немагнитных зазоров, где магнитное поле ведет себя крайне неоднородно. Поэтому необходимо выполнить комплексный анализ модели машины в натуральную величину с учетом нелинейных свойств материалов и действительного токораспределения ее обмоток.

Массивный проводник на постоянном токе: график напряженности электрического поля

Генератор на постоянных магнитах с внешним ротором. В RMxprt оптимизируем геометрию модели для достижения максимальных характеристик и передаем проект в Maxwell 3D для дальнейшего исследования

RMxprt  входит в дистрибутив Maxwell 3D  — это программа, которая ускоряет процесс проектирования и оптимизации вращающихся электрических машин. RMxprt использует классическую аналитическую теорию электрических машин и метод эквивалентной магнитной цепи для вычисления рабочих характеристик машины. Данное программное обеспечение очень удобно применять в случае, когда нужно смоделировать какую­либо из 13 предложенных электрических машин стандартного типа, методики расчета которых известны и заложены в программу. Пользователю требуется только ввести исходные данные: геометрические размеры, свойства материалов статора и ротора, тип обмоток, схему подключения, данные по питанию, нагрузке, вентилятору и т.п.

Комплексный подход к моделированию

Поскольку используются стандартные алгоритмы с готовыми формулами (вместо метода конечных элементов, как в Maxwell 2D и 3D), время расчета одного варианта на современном компьютере составляет несколько секунд, при этом доступны все средства Maxwell по параметризации и оптимизационному анализу.

Если требуемая конфигурация отличается от стандартной,  разработчику полезно сравнить, какие характеристики может дать при его исходных данных классическая конфигурация электрической машины. Более того, пользователь RMxprt может создать конфигурацию машины, наиболее близкую к требуемой, конвертировать модель в задачу Maxwell, где уже вносить все требуемые изменения в конструкцию. Это будет гораздо быстрее, чем проектировать модель с нуля.
Конвертирование модели RMxprt в модель Maxwell пригодится и в том случае, когда для стандартной электрической машины нужно построить картину распределения поля, а также для других операций, для которых требуется расчет полей. При этом в версии Maxwell v14 конвертирование модели RMxprt в модель Maxwell 2D/3D включает не только прорисовку геометрии данной машины, но и создание полноценной модели для расчета с типом задачи — переходный процесс с вращательным движением и подключением к обмоткам электрической схемы управления. Сразу после конвертирования можно запускать расчет и наблюдать на графике за углом поворота ротора на каждом временном шаге переходного процесса.

Схема взаимодействия Simplorer с другими продуктами ANSOFT

Виртуальный прототип схемы работы соленоида

Simplorer — комплексный подход к моделированию

Зачастую моделирование задач электромеханики, механики, динамики жидкостей и газов и т.д. завершается на этапе постпроцессора. Как правило, моделируется какой­либо узел сложной системы без возможности динамической связи и анализа работы системы в комплексе. Специально для подобных задач компания ANSYS разработала систему многоуровневого моделирования — Simplorer.

Если говорить об электромагнитных задачах, то использование динамически связанных моделей конечных элементов и схем замещения, созданных в Maxwell 2D/3D, Q3D Extractor, RMxprt, PExprt и Simplorer, позволяет разработчикам создавать виртуальные прототипы с учетом всех составляющих системы, таких как электроника, датчики, приводы, двигатели, генераторы, силовые преобразователи и схемы управления. Такой подход дает возможность анализировать и проверять работу системы в комплексе при многократном сокращении времени и затрат, повышении надежности и оптимизации производительности.

Для более полного представления возможностей многоуровневого моделирования в Simplorer приводится схема работы электромагнита, приближенная к реальным условиям эксплуатации.  К виртуальным выводам модели конечных элементов, созданной в Maxwell 3D, подключены следующие компоненты: электрическая схема управления, использующая цифровые сигналы, и механическая схема нагружения якоря, связанная с гидравлической схемой. Подобный подход к решению задачи не ограничивается анализом результатов расчета поля методом конечных элементов, в данном случае мы имеем полноценную систему для ее параметризации, оптимизации, проверки работоспособности и отладки.

В заключение хочется отметить, что результаты многочисленных тестовых задач на моделирование электромеханических устройств показывают высокую точность проведения расчетов с использованием вышеперечисленных модулей ANSYS. Таким образом, специалист имеет возможность эффективно выполнять виртуальное прототипирование, сокращать необходимое для проектирования время, а также экономить средства на проведении физических испытаний и создании неудачных физических прототипов, обеспечивая тем самым повышение качества и снижение себестоимости конечного изделия. 

САПР и графика 6`2011