Новые возможности ANSYS 15.0 для решения задач электромеханики

Алексей Клявлин
Старший инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»

Уважаемые читатели!
Группа компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал», официальный представитель мирового разработчика программного обеспечения ANSYS, Inc., предлагает вашему вниманию рубрику, посвященную математическому инженерному моделированию в пакетах ANSYS. В наших публикациях мы рассмотрим примеры применения программных продуктов ANSYS для решения промышленных задач из различных областей физики, расскажем о возможностях новых версий и поделимся своим опытом моделирования.
Мы надеемся, что наши статьи помогут вам лучше познакомиться с миром математического моделирования в ANSYS и осознать его огромный потенциал в качестве инструмента для повышения эффективности проектирования и снижения материальных и временных затрат.
Рубрику 2014 года мы хотели бы начать со статьи, посвященной выходу новой версии программного обеспечения ANSYS. Говоря о модулях для решения задач анализа электромагнитного поля и сопутствующих приложениях, следует отметить, что ANSYS изменила нумерацию версий и название установочного пакета. Итак, мы рады представить ANSYS Electromagnetics Suite 15.0 — полный пакет расчетных программ: Maxwell, Simplorer, Designer, HFSS, Q3D, SIwave. Все программы имеют версию, соответствующую текущему году.

ANSYS Maxwell 2014

Векторное 2D/3D­моделирование гистерезиса

На данный момент технология позволяет рассматривать и частные петли гистерезиса. Эта возможность является дополнением к предыдущему анонсу о векторном моделировании гистерезиса и более точно описывает физику поведения частных петель гистерезиса. Кроме того, функция автоматизирует процесс идентификации комплексного параметра. Данная возможность идеально подходит для анализа двигателей, преобразователей, индукторов, электромагнитов, где магнитный гистерезис оказывает заметное влияние на производительность устройств (рис. 1).

Рис. 1. Верхняя спинка петли гистерезиса

Учет потерь в стали

В предыдущих версиях использовались косвенные методы учета потерь в стали, основанных на аналитических выражениях. В ANSYS Maxwell 2014 добавлена возможность учета потерь, основанная на определении площади петли гистерезиса. Также заявлено об улучшении функционала опции влияния потерь в стали на магнитное поле (рис. 2).

Рис. 2. Новая опция учета потерь в стали,
основанная на площади петли гистерезиса

Ненулевые начальные условия в нестационарном решении

Вследствие сложной топологии и высокой размерности проектов различных электрических машин и силовых устройств питания для вычисления переходного 3D­решения обычно требуется огромное количество времени, чтобы достигнуть установившегося состояния, особенно для устройств с большой электромагнитной временной константой.

Версия 15.0 предлагает применение нового алгоритма, который как минимум в пять раз сокращает время моделирования. Эта опция доступна в переходных решателях с использованием подключения внешней схемы. Новый элемент AC_Model модифицирует токи в обмотках перед началом каждого периода без прерывания расчета (рис. 3).

Рис. 3. Новый элемент AC_model
существенно сокращает время моделирования

Граничные условия

Для точного определения полных потерь в трансформаторной технике необходимо рассматривать дополнительные потери мощности в магнитных элементах конструкции преобразователей. Однако при включении в модель элементов корпуса существенно увеличивается и время моделирования. Обновленная версия дополнена новым нелинейным граничным условием импеданса, созданным для решения данной проблемы.

Опция улучшает функционал 3D Eddy Current решателя и позволяет разработчикам добиться более точного определения потерь, не прибегая к увеличению времени счета. В ранних версиях программы данная опция присутствовала, но не учитывала нелинейные свойства материала. Опыты показывают, что уровень потерь отличается на 15% (рис. 4).

Рис. 4. Определение потерь в стенках бака

Добавлена Master/Slave (Symmetry) — граничное условие для нестационарных 2D­задач с поступательным перемещением. Эта возможность позволяет пользователям проводить анализ больших линейных электрических машин без необходимости рассматривать машину целиком.

Включена поддержка антипериодических граничных условий для короткозамкнутых обмоток, что позволяет пользователям более точно анализировать индукционные машины, электродвигатели прямого пуска с постоянными магнитами и машины с демпфирующими обмотками.

Постпроцессор решателя Eddy Current

Для упрощения работы с матрицами индуктивностей в предыдущих версиях только магнитостатический решатель был оснащен очень удобной функцией в постпроцессоре. С помощью данной опции пользователь мог сам конфигурировать систему проводников, задавая количество витков, группируя провод­ники по своему усмотрению, и рассматривать результаты либо в виде матрицы, либо в виде значений, вычисленных программой с учетом настройки реальной конфигурации. Теперь эта функция работает и в решателях Eddy Current, что существенно облегчает работу в задачах, связанных с определением импеданса (рис. 5).

Рис. 5. Конфигурирование проводников для определения импеданса

Сеточный генератор

Компания­разработчик заявляет о следующих доработках сеточного генератора:

• однородная начальная сетка для понижения количества адаптивных уплотнений и общих временных затрат;
• технология Pseudo­Clone для генерирования идентичной сеточной модели на симметричных или периодических подоб­ластях;
• слоистая сетка для более качественной оценки больших полевых градиентов, для точного определения вихревых эффектов в поверхностной области в гармонических и нестационарных задачах. Новый метод, в отличие от существующего, позволяет до 20 раз быстрее создать ту же плотность сетки, к тому же более структурированную (рис. 6).

Рис. 6. Разбиение поверхностного слоя постоянных магнитов (показаны старые и новые методы дискретизации)

Построение векторных и скалярных графиков

При обработке полученных результатов расчета возникает необходимость исследовать непосредственно распределение величин поля в расчетной области. Как правило, в плоскопараллельном или осесимметричном случае скорость построения скалярных и векторных графиков достаточно высока, но для обработки многомиллионных трехмерных сеточных моделей раньше требовалось значительное время, не говоря уже о построении анимированных графиков. В новой версии программы разработчики заявляют об увеличении производительности в постобработке в 3­11 раз.

Интегрированное решение для электрических машин

Аналитическое средство, основанное на теории электрических машин и эквивалентной магнитной цепи, ANSYS RMxprt, дополнилось машинами типа Generic Rotating Machines (рис. 7 и 8).

Рис. 7. Индукционная машина аксиального типа

Рис. 8. Синхронная машина с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем

CAD­редактор

В новой версии появилась новая опция, позволяющая сохранить настроенную модель в виде компонента проекта. Например, можно создать параметрическую модель, применить к ней сеточные операции, граничные условия, задать возбуждение и т.д., а затем полностью настроенную модель сохранить на диск. В случае использования данного компонента в другом проекте все настройки будут сохранены.

Специализированные макросы Electrical Machine Design Toolkit на IronPython

IronPhyton позволяет пользователям создавать специализированные настраиваемые интерфейсы для вычисления производительности электрических машин, при этом результаты могут быть представлены в специально подготовленном виде. Однако серию расчетов возможно выполнить гораздо быстрее, используя технологию DSO (рис. 9).

Рис. 9. Макросы Electrical Machine Design Toolkit на IronPython

Специалисты компании ANSYS разработали инструменты для автоматизации моделирования электрических машин. Ряд определяемых пользователем решений был задан сценарием с использованием IronPython и полностью интегрирован в Maxwell. Это значительно облегчает последующую постобработку.

Сценарии UDO (User Defined Outputs) являются универсальными, полностью автоматизированными, настраиваемыми, эффективными и устойчивыми, созданы для автоматического получения усредненных и среднеквадратичных значений в постпроцессоре, значений в осях D­Q, решений для специальных машин (рис. 10).

Рис. 10. Сценарии UDO
(User Defined Outputs)

Сценарии Design Toolkits разработаны для автоматизации процесса построения и определения карты эффективности электричес­ких машин и вычисления зависимостей скорости от вращающего момента. Вычисление кривых зависимости скорости от вращающего момента и карт эффективности в FEA представляется весьма затруднительным.

Инструментарий не только выполняет моделирование, но и находит оптимальные рабочие точки во всем диапазоне вращающего момента и скорости. Сценарии содержат опции по уточненному определению потерь в машине и учитывают такие эффекты, как индуктивности лобовых частей, частотнозависимые и температурозависимые сопротивления обмоток, скос пазов и частотнозависимые базовые коэффициенты для аналитического определения потерь в стали (рис. 11).

Рис. 11. Сценарии Design Toolkits

Связанные задачи

В новой версии ANSYS 15.0 предусмотрена возможность проведения анализа акустики и вибрации с помощью преобразования Фурье для пространственной векторной плотности силы в нестационарном решении Maxwell, с передачей результатов в Structural Dynamics для оценки частотного спектра перемещений, а впоследствии — для вычисления акустического поля (рис. 12).

Добавлена возможность моделирования плазмы посредством решения двух задач: вычисления плотности магнитного потока и электромагнитной силы в задаче Maxwell и задачи CFD с обратной связью по распределению проводимости материала и тока.

Рис. 12. Анализ вибрации и акустики (NVH)

Высокопроизводительные вычисления (HPC)

В новой версии улучшена технология многопоточности, что предоставляет возможность более устойчивого и масштабированного решения для параллельных вычислений в ANSYS Maxwell 2014. Пользователи могут использовать большое количество ядер для сокращения времени вычисления больших магнитных нестационарных задач.

Пользователям доступны опции по крупномасштабному распределенному вычислению (DSO) на многоядерной платформе, что позволяет гораздо быстрее рассчитывать задачи параметризации и оптимизации.

ANSYS Simplorer 2014

Библиотеки компонентов

В новой версии ANSYS Simplorer представлены библиотеки компонентов VHDL­AMS для моделирования систем гибридных и электрических двигателей автомобильной промышленности (рис. 13).

Силовые диоды и мосфеты теперь могут быть настроены максимально точно. С применением Device Characterization Wizard пользователи смогут максимально приблизить статические и динамические характеристики полупроводниковых устройств к экспериментальным данным или данным от производителей.

Рис. 13. Пример модели гибридного автомобиля

***

Группа компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам­Урал» является авторизованным представителем компании ANSYS, Inc. на территории России и СНГ уже более 15 лет и занимается консалтингом, инжинирингом, внедрением программного обеспечения, техподдержкой и обучением. Наша компания обладает штатом высококвалифицированных, сертифицированных у разработчика технических специалистов с многолетним опытом выполнения расчетов.

Ежегодно мы проводим совместную конференцию с компанией ANSYS, Inc., предназначенную для пользователей программных решений ANSYS. И в этом году мы приглашаем всех посетить нашу конференцию, узнать о возможностях и развитии продуктов ANSYS и ознакомиться с опытом решения промышленных задач. Подробную информацию о семинарах, конференциях и вебинарах можно узнать на сайте www.cae­expert.ru.

САПР и графика 1`2014