Новые возможности ANSYS в области моделирования электромагнитных полей
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!