Моделируем электромагнитное поле в обновленном ANSYS 16.0

Алексей Клявлин
Инженер технической поддержки ГК «ПЛМ 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 начале года компания ANSYS традиционно знакомит пользователей с новым релизом расчетного комплекса. Все модули для электромагнитных расчетов, кроме ANSYS PExprt, содержатся в установочном пакете ANSYS Electromagnetic Suite 16.0. Предлагаем вам краткий обзор новых и расширенных функций в ANSYS Maxwell и ANSYS Simplorer 2015. Новые возможности были разработаны во многом на основе пожеланий самых опытных пользователей. Компания ANSYS надеется, что новые дополнения помогут вам повысить инженерную эффективность при разработке самых сложных изделий и сократят время выхода их на рынок.

ANSYS Maxwell 2015

Улучшение в численных решателях

Для решения задач гармонического и нестационарного поля в максвелловской формулировке отправной точкой являются уравнения электромагнитной индукции Фарадея   и Гаусса для магнитного поля .

ANSYS Maxwell 3D использует формулировку T-Ω, а не А-Phi­формулировку, поскольку T-Ω является более эффективной и надежной (рис. 1). Ω является узловым магнитным скалярным потенциалом, определяемым во всей расчетной области. Т — реберный электрический векторный потенциал, который определяется только в проводящем вихретоковом регионе.

Рис. 1. Формулировка T-Ω

Преимущество этого подхода заключается в том, что он помогает избежать нефизического решения, так как в расчетной области происходит четкое выделение проводящей вихретоковой и непроводящей зоны. Данный метод обеспечивает стабильность численного решения, так как не требует калибровки для получения уникальных решений.

Векторное 2D/3D­моделирование гистерезиса

Впервые компания ANSYS заявила о численной модели векторного гистерезиса в ANSYS Maxwell R14.5, но алгоритм описывал только основную петлю гистерезиса. В текущей версии программного обеспечения модель описывает и частные петли гистерезиса (рис. 2).

Рис. 2. Частные петли гистерезиса

Нужно отметить, что основы формулировки, описывающей векторный гистерезис, взяты из исследований «Play and Stop Hysterons» о гистерезисных микромагнитных доменах — гистеронах. Новый подход обеспечивает высокую скорость, эффективность и точность описания частных петель гистерезиса для задач любой размерности.

Учет потерь в стали. Модель векторного гистерезиса для шихтованных пакетов электротехнической стали

В ANSYS Maxwell 2015 2D/3D усовершенствован алгоритм прогнозирования потерь в электротехнической стали. К гистерезисной модели потерь (рис. 3) добавлен компонент уравнения Штеймеца для аналитического учета потерь на вихревые токи путем ввода коэффициента kc.

ANSYS расширил возможности использования моделирования векторного гистерезиса и гистерезисной модели потерь в стали для двумерных и трехмерных шихтованных конструктивов (рис. 4).

Рис. 3. Гистерезисная модель для определения потерь в стали

Рис. 4. Учет потерь в шихтованном конструктиве

Заявлено о возможности учета потерь, вызванных вихревыми токами в шихтованном конструктиве в плоскости шихтовки. Активация данной опции происходит путем указания проводимости электротехнической стали, что ранее не вносило какого­либо вклада в потери стали на вихревые токи.

Намагничивание и размагничивание на основе гистерезисной модели

Новые возможности моделирования намагничивания на основе 2D/3D­модели векторного гистерезиса будут точно предсказывать показатели электромагнитных моделей с учетом полного процесса намагничивания, за которым в практических приложениях всегда следует процесс размагничивания в нормальных и аварийных условиях эксплуатации (рис. 5).

Рис. 5. Намагничивание и размагничивание на основе модели гистерезиса

Модель размагничивания для постоянных магнитов будет точно рассчитывать наихудший случай размагничивания при данном приложении внешнего поля после предыдущего процесса намагничивания, а затем использоваться в целевом моделировании.

Кривая намагничивания B­H. Обработка введенных данных

В ANSYS R15 и более ранних релизах входные точки данных пользователя применялись для построения аналитической функции, полученной из аппроксимации кривой методом наименьших квадратов. При этом желательно, чтобы пробные точки были равномерно распределены вдоль оси H, а не оси B.

В ANSYS R16 используются непосредственно точки, которые вводит пользователь. Реализовано более точное представление BH­кривых.

Для получения быстрого итерационного решения необходимо обеспечить гладкость и монотонность кривых (в том числе и производных) и достаточно точно описать области как слабых, так и сильных полей.

Граничные условия. Модели с поступательным движением. Линейные двигатели

Новая версия программного обеспечения поддерживает граничные условия симметрии и периодические граничные условия Master/Slave для трехмерных моделей с поступательным движением (рис. 6). Эти опции обеспечивают сокращение расчетного домена и значительно ускоряют конечно­элементный анализ.

Особого внимания заслуживают модели с антипериодической симметрией, например электрические машины с когтеобразной магнитной системой ротора. Для понижения размерности модели введены антипериодические граничные условия.

Рис. 6. Граничные условия периодичности для моделей с поступательным движением

Расширенные возможности сеточного генератора 3D

Принцип клонирования сеточной модели в симметричных секторах электрических машин в новой версии расширен и для трехмерных моделей. Опция сеточного генератора Cilindrical gap дополнилась функцией Clone Mesh, что позволяет создавать структурированные, симметричные модели пониженной размерности без каких­либо дополнительных сеточных операций (рис. 7). Следует отметить, что сеточный генератор автоматически определяет симметричный регион для построения начальной сетки в плоскопараллельном сечении и «протягивает» сетку в глубь модели.

Новые опции, как и говорилось, понижают размерность задачи.

Рис. 7. Новые структурированные сеточные модели
для задач электрических машин

Хронология улучшения технологии численного моделирования. Производительность решателей

Разработчиком программного обеспечения заявлено о 60­кратном увеличении производительности численного решения нестационарной магнитной задачи в сравнении с Maxwell 3D v11. Рост производительности показан на рис. 8 и 9.

Рис. 8. Увеличение производительности численного решения
для трехмерных задач

Рис. 9. Увеличение производительности численного решения
для двумерных задач

Совместное решение с ANSYS Simplorer

При решении нестационарных задач многих электрических машин целесо­образным является имитация сигналов управления посредством подключения электрических схем управления ANSYS Simplorer к конечно­элементным моделям. Совместное решение конечно­элементной задачи ANSYS Maxwell и цепей управления симулятора ANSYS Simplorer позволяет оценить, как нелинейное поведение электрических машин оказывает влияние на цепи управления, и наоборот (рис. 10).

Рис. 10. Подключение внешней схемы правления ANSYS Simplorer
к КЭ-модели ANSYS Maxwell

В новой версии программного обеспечения нестационарные 2D/3D­решатели поддерживают большой шаг интегрирования и обеспечивают хорошую сходимость решения при подключенной внешней схеме управления, особенно заметны улучшения для комплексных моделей с замкнутыми контурами управления. Для включения перечисленных особенностей в интерфейсе ANSYS Simplorer появились соответствующие опции.

Модели пониженного порядка ROM

В новой версии ANSYS Maxwell Circuit Editor 2015 предусмотрены элементы, позволяющие генерировать нелинейные схемы замещения электрических машин на основе нестационарного магнитного расчета (рис. 11).

Рис. 11. Нелинейные схемы замещения для ANSYS Simplorer

Подобная идея уже давно была реализована в связке ANSYS Simplorer — ANSYS Maxwell, но на основании магнитостатического параметрического исследования. Соответственно ANSYS Simplorer дополнился новой опцией импорта эквивалентной модели (transient). Данный метод извлечения эквивалентных схем из конечно­элементных моделей электрических машин является более гибким и более эффективным, существенно сокращает время вычисления, так как нестационарное 2D/3D­решение заменяет серию параметрических расчетов с созданием геометрической модели и перестроением сетки при каждом угле поворота.

Специализированные макросы Electrical Machine Design Toolkit на IronPython

IronPhyton позволяет пользователям создавать специализированные, настраиваемые интерфейсы для вычислений производительности электрических машин (рис. 12). Результаты могут быть представлены в специально подготовленном виде. Выполнение серии расчетов можно реализовать гораздо быстрее, используя технологию DSO.

В ANSYS реализованы инструменты для автоматизации моделирования электрических машин. Ряд определяемых пользователем решений был задан сценарием посредством Python и полностью интегрирован в Maxwell. Это позволило значительно облегчить последующую постобработку.

Рис. 12. Макросы Electrical Machine Design Toolkit на IronPython

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 D­Q­осях, решений для специальных машин.

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

Рис. 13. Сценарии Design Toolkits

Инструментарий не только выполняет моделирование, но и находит оптимальные рабочие точки во всем диапазоне момента и скорости (рис. 13). Сценарии содержат опции по уточненному определению потерь в машине и учитывают такие эффекты, как индуктивность лобовых частей, частотно­зависимые и температурозависимые сопротивления обмоток, скос пазов, частотно­зависимые базовые коэффициенты для аналитического определения потерь в стали.

В новом релизе ANSYS R16 к существующим возможностям добавлены:

• поддержка индукционных машин;
• скоростные эффекты в машинах с постоянными магнитами. Вихревые токи и потери в стали теперь могут влиять на расчет рабочих точек;
• добавлено несколько стратегий управления (дополнение к МТПА), например стратегия минимизации потерь, максимизации коэффициента мощности и т.д.;
• добавлены различные типы регулирования напряжения, в том числе и пространственно­векторная ШИМ;
• добавлена возможность использования вычислений Large­DSO в пакетном режиме;
• могут быть применимы пользовательские настройки потерь в стали;
• добавлен учет эффектов от скоса пазов на пульсации вращающего момента.

Связанные задачи

Начиная с ANSYS 15.0 предлагается возможность по проведению анализа акустики и вибрации с использованием преобразования Фурье для пространственной векторной плотности силы в нестационарном решении ANSYS Maxwell, с передачей результатов в Structural Dynamics для оценки частотного спектра перемещений, а впоследствии — для вычисления акустического поля (рис. 14).

Рис. 14. Анализ вибрации и акустики (NVH)

Новая версия ANSYS дополнилась следующими новыми возможностями:

• поддержка невращающихся моделей;
• улучшен контроль за входными параметрами FFT;
• предусмотрена связь с LMS Virtual Lab для акустического анализа;
• добавлена поддержка напряжений, вызванных изгибом.

Симметрия в связанных задачах

Очень часто при моделировании электромагнитного поля мы используем граничные условия симметрии и периодические границы Master/Slave, что позволяет понизить размерность задачи, рассматривая только симметричный сектор модели. Тепловые и механические же задачи зачастую не позволяют вводить такие допущения, что вызывает массу неудобств.

Обновленный ANSYS Workbench теперь позволяет рассматривать симмет­ричный сектор в ANSYS Maxwell, но передавать исходные данные значения сил и тепловой мощности уже на полную тепловую/механическую модель (рис. 15), согласно граничным условиям.

Рис. 15. Новые возможности симметрии

Шаблонно­ориентированный тепловой и магнитный анализ. ANSYS RMxprt и Motor­Cad

С 2014 года началось сотрудничество компаний ANSYS, Inc. и Motor Design Ltd с целью создания инновационного подхода к решению электромагнитно­тепловых задач при проектировании электрических машин. При этом компании используют лучшие в своем классе методики в магнитных (ANSYS EM) и тепловых (Motor Design Ltd) вопросах.

Решение тепловой задачи в Motor­Cad (рис. 16) основано на аналитичес­ком подходе и реализуется путем создания эквивалентных схем с быстрой калибровкой, для которой используется конечно­элементный тепловой 2D­решатель. Источниками тепловыделения в новой связке являются потери, определенные в ANSYS RMxprt, который, в свою очередь, дополнился возможностями введения в расчет элементов корпуса двигателя (рис. 17).

Рис. 16. Аналитическое решение тепловых стационарных и нестационарных режимов в Motor-Cad

Рис. 17. Совместная аналитическая расчетная связка

ANSYS заявляет, что новый тип связанных задач обещает быть более востребованным, так как обозначена четкая специализация на электрические машины, присутствует соответствующий функционал, предназначенный для большего круга специалистов, а не только для специалистов в гидрогазодинамике и теплообмене. Конечно, пока рано говорить о сильных и слабых сторонах такого подхода, тем не менее, весьма очевидно преимущество быстрого аналитического теплового стационарного и нестационарного решения над затратным по времени, но, возможно, более точным конечно­элементным расчетом теплообмена в электрических машинах.

Новые примитивы в ANSYS Maxwell. Лобовые части и элементы корпусов в ANSYS RMxprt

Новая версия ANSYS Maxwell дополнилась примитивами деталей корпуса электрических машин (рис. 18) для упрощенного выхода на задачу теплообмена в ANSYS IcePak или ANSYS Fluent.

Рис. 18. Новые примитивы элементов корпуса электрических машин

Как уже упоминалось, обновленный ANSYS RMxprt дополнился возможностями указания элементов корпуса: три типа корпусов, шесть типов ребер, три типа вентиляционных каналов, элементы торцевых крышек. Новый функционал необходим для решения связанных задач ANSYS RMxprt — Motor­Cad, где крайне важна конструкция корпуса и вентиляционной системы.

Интеграция ANSYS PExprt в ANSYS Maxwell

В новой версии разработчики интегрировали ANSYS PEmag в ANSYS Maxwell. Теперь эта связка позволяет автоматически создавать полностью настроенные двумерные или трехмерные, электростатические или магнитные гармонические расчетные модели трансформаторов, дросселей и т.д. для ANSYS Maxwell (рис. 19).

Рис. 19. ANSYS PExprt создает полностью настроенные расчетные модели в ANSYS Maxwell

Автоматически созданные магнитные модели предлагаются для анализа случаев короткого замыкания и холостого хода, электростатические — для анализа паразитных емкостей.

Обновление в элементах постпроцессора

• Заявлено о значительном сокращении времени на построение векторных и скалярных графиков, анимацию поля за счет использования памяти GPU;
• введена опция Magnitude threshold в настройках векторных графиков, предназначенная для улучшения отображения векторов в моделях с грубой сеточной моделью;
• значительно улучшена возможность отображения линий потока streamline для двумерных и трехмерных задач;
• изменения затронули 2D­графики отчетов, в которых одновременно содержится множество кривых. Заявлено о возможном размещении на одном графике до 20 Y­осей, причем при выделении кривой подсвечивается соответствующим цветом и соответствующая размерная шкала по оси Y;
• в графическом оформлении изменения незначительны — изменилась цветовая гамма, которую пользователь теперь может настраивать самостоятельно;

ANSYS Simplorer 2015

Библиотеки компонентов

Электрические авиакомпоненты (рис. 20)

• Более 70 моделей и примеров использования для моделирования электрических силовых цепей летательных аппаратов, включая генераторы, конвертеры, выпрямители, машины, электрические нагрузки;
• поддержка ряда исследований — качества электропитания, устойчивости системы, схем защиты и многого другого на основе моделирования.

Component Libraries Tool -> Simplorer Elements -> Aircraft Electrical (VHDL­AMS)

Рис. 20. Электрические авиакомпоненты

Библиотека управления питанием (интегральные микросхемы) — рис. 21

Десятки моделей интегральных микросхем для управления питанием от ведущих мировых производителей;

• ШИМ­контроллеры, ПФУ­контроллеры, драйверы и переключатели высокой и низкой стороны, мостовые драйверы, линейные регуляторы;
• Component Libraries Tool -> Simplorer Elements -> Manufacturers -> Power Management ICs

Рис. 21. Библиотеки управления электропитанием

Библиотека силовых компонентов (рис. 22)

• Силовые полупроводниковые модели (Diodes, MOSFETs, IGBTs) от ведущих производителей — Silicon и Silicon Carbide.
• Component Libraries Tool -> Simplorer Elements -> Manufacturers -> Power Semiconductors

Рис. 22. Библиотека силовых полупроводниковых элементов

Библиотека суперконденсаторов (рис. 23)

• Несколько моделей суперконденсаторов от Maxwell Technologies.

Component Libraries Tool -> Simplorer Elements -> Manufacturers -> Ultracapacitor

Рис. 23. Библиотека суперконденсаторов

Системные компоненты гибридных электрических двигателей (рис. 24)

• Дополнительные двигатели и контроллеры для моделирования электричес­ких силовых агрегатов на системном уровне.

Component Libraries Tool -> Simplorer Elements -> HEV (VHDL­AMS)

Рис. 24. Системные компоненты гибридных электрических двигателей

Создание моделей и интерфейсы для связанных задач

Модели пониженного порядка ANSYS Fluent (LTI ROM) для ANSYS Simplorer:

• характеристики отклика от моделей Fluent CFD используются для точного и эффективного генерирования эквивалентных моделей пониженного порядка в пространстве состояний поведения жидкостей и температуры;
• эквивалентные модели системного уровня позволяют проводить моделирование во много раз быстрее, чем конечно­элементный CFD­расчет (Simplorer Circuit -> Subcircuit -> Fluent Component -> Add Fluent LTI Component...).

Функциональные модели FMU сохраняются в проекте Simplorer

• Благодаря поддержке интерфейса моделей (FMI), ANSYS Simplorer может импортировать модели из множества различных сред моделирования, включая продукты ANSYS SCADE, Modelica;
• функциональные модели (FMU) теперь сохраняются в файле проекта Simplorer (.asmp), обеспечивая удобство и портативность.

Быстрое извлечение эквивалентных моделей из ANSYS Maxwell

Новый подход к извлечению эквивалентных схем из моделей ANSYS Maxwell значительно ускоряет процесс их создания (Simplorer Circuit -> Subcircuit -> Maxwell Component -> Add Equivalent Circuit...).

Эквивалентные модели ANSYS IcePak

Улучшена технология извлечения моделей TI ROM из ANSYS IcePak для моделирования процессов охлаждения электроники (Simplorer Circuit -> Subcircuit -> Add Icepak Component...).

Решение нестационарной задачи ANSYS Simplorer — ANSYS Maxwell

Поддержка отката шага интегрирования улучшает точность и производительность совместного моделирования в нестационарных задачах ANSYS Maxwell — ANSYS Simplorer (Simplorer Circuit -> Subcircuit -> Maxwell -> Component -> Add Transient Cosimulation...).

Инструменты описания элементов (Device Characterization Tool)

• Силовые полупроводниковые элементы, созданные специальными инструментами (Device Characterization Tool), имеют немодальное поведение;
• улучшен диалог помощи в инструментах создания описательных моделей для диодов, MOSFET и IGBT (Simplorer Circuit -> Characterize Device -> Semiconductors...).

Производительность ANSYS Simplorer

До 30% увеличена производительность решателей Transient, DC и AC.

Анализ результатов, постпроцессор

Воспроизведение процесса полученного решения (рис. 25): добавлены графические инструменты, позволяющие удобно работать с полученным решением — строить динамические графики, анимации, перематывать, останавливать и шаг за шагом исследовать процесс решения (Simplorer Circui ->Replay Analysis).

Рис. 25. Анимация решения в ANSYS Simplorer

Вывод результатов:

• поддерживается более четырех осей Y для одного графика;
• при выделении одной из множества кривых одного графика подсвечивается принадлежащая ей ось Y.

Пользовательский интерфейс

Копирование свойств элементов: для упрощения ввода данных предлагается возможность по копированию/вставке свойств элементов проекта. Пользователь может контролировать переносимые данные путем простого диалога (Edit -> Copy Data...).

Быстрый поиск:

• упрощен поиск элементов на схеме;
• упрощено переключение поиска с простого на более сложный (Edit -> Find Elements...).

Перемещаемые панели инструментов:

• добавлена возможность перемещать панели инструментов по рабочему окну ANSYS Simplorer;
• работает помощник в размещении и группировке инструментов.

Новые цветовые гаммы: пользователь может выбирать цветовую гамму интерфейса ANSYS Simplorer. Доступны голубая, серебряная, черная схема (Tools -> Options -> General Options… -> Miscellaneous Options).

Поиск библиотек и компонентов: улучшен поиск компонентов в библиотеке по имени производителя и номеру изделия.

***

В данной статье описаны лишь основные новшества пакета для решения задач электромеханики ANSYS Electromagnetic Suite 16. Дополнительную информацию вы всегда можете запросить на нашем сайте www.delcam­ural.ru в разделе «Вопрос­ответ» или на сайтах www.ansys­club.ru и www.ansys­expert.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 наших сайтах!

САПР и графика 3`2015