Продукты ANSYS для для моделирования низкочастотных ... ·...

© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 20161

Продукты ANSYS длядля моделирования низкочастотных электромеханических устройств

Клявлин Алексей

[email protected]

Инженер технической поддержки. Электромагнитное направление.


Maxwell2D/3D FEM

+Движение +Цепи

PE/RMXprts – Аналитическое решение Q3D – паразитные эффекты

- Эквивалентные схемы- Матрицы индуктивностей- Матрицы емкостные- Матрицы импеданса

- Эквивалентные схемы- Паразитные параметры

Ген

ери

ро

ван

ие

мод

елей

Экв

ива

л.

схе

мы

Со

вмес

тно

ер

ешен

ие

Пакет ANSYS EM для электромагнитных расчётов

SIMPLORERМногоуровневоемоделирование

систем


ANSYS Maxwell 2D\3D


Низкочастотный электромагнитный анализ

Стационарный и нестационарный, гармонический анализ низкочастотных электромагнитных полей

– Простой в освоении и использовании

– Адаптивный сеточный генератор

– Гибкое задание возбуждения

– Большие перемещения, вызванные dB/dt

– Нелинейные, анизотропные материалы

– Параметризация и оптимизация

– Совместный расчет с симулятором ANSYS Simplorer

– Междисциплинарные задачи в ANSYS Workbench


Магнитостатика

Линейные и нелинейные поля.

Источники поля: Распространение плотности постоянного тока

Напряжение

Постоянные магниты

Внешне приложенное магнитное поле

Вычисляемые величины: Вращающий момент

Усилия

Индуктивность

Величины поля

Учитываются:Нелинейные магнитные свойства

Шихтованный конструктив


Гармоническое полноволновое решение

Синусоидально изменяющиеся во времени магнитные поля, полное волновое решение.

Источники поля: Распространение плотности переменных токов (f-const, φ-var)

Внешне приложенное магнитное поле

Вычисляемые комплексные величины: Вращающий момент

Усилия

Индуктивности и сопротивления


Учитываются: Вихревые токи

Токи смещения

Гистерезис


Нестационарное магнитное поле

Поле, произвольно изменяющееся во времени

Источники поля: Токи произвольной формы

Постоянные магниты

Учитываются: Вихревые токи

Движение элементов модели

(вращательное, поступательное, нецилиндрическое)

Момент инерции, приложенные нагрузки,

демпфирование (задачи с движением)

Гистерезис

Размагничивание постоянных магнитов

Нелинейные магнитные свойства

Шихтованный конструктив

• Вычисляемые величины F(t): Вращающий момент

Усилия

Индуктивности и сопротивления


Потери на вихревые токи и перемагничивание


Электрическое поле

Типы анализа: Electrostatic (стационарное поле в диэлектрике)

DC conduction (стационарное поле в проводниках)

AC conduction (2D стационарное поле в проводниках)

Electric Transient (нестационарное электрическое поле)

Источники поля: Заряды, разности потенциалов, токи

Вычисляемые величины: Вращающий момент

Усилия

Матрицы ёмкости и сопротивления


Запасённая энергия

Поверхностная плотность заряда

Потери


СкоростьМоментТок

Цепь управленияDC двигатель

Задачи с движением.


Применение ANSYS Maxwell






ANSYS RMxprt


Аналитический расчёт электрических машин

• Трехфазный асинхронный двигатель

• Однофазный асинхронный двигатель

• Трехфазная синхронная машина

• Без щёточный двигатель постоянного тока с магнитами

• Синхронная машина с регулируемой скоростью

• Двигатель постоянного тока с магнитами

• Вентильный реактивный двигатель

• Синхронная машина с магнитами, линейным стартом

• Универсальный двигатель

• Генератор переменного тока с когтеобразным ротором

Шаблоны электрических машин


Ввод пользовательских данных


Типичные результаты

Полный отчёт о характеристиках машины для различных режимов работы


Автоматизация проектирования.


ANSYS RMxprt, как дополнение к Maxwell 2D/3D

Автоматическое построение 2D/3D

моделей

Задание материалов

Задание граничных условий, мех. нагрузок на вал, сеточных операций и т.д.

Задание источников (схемы управления)

Создание расчётной модели


ANSYS RMxprt, как дополнение к Maxwell 2D/3D


-150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00Iq [A]

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

Y1 [m

H]

Ld_Lq_7_5deg_EmadXY Plot 5

Curve Info

L(d-axis)MachineSolutions1gamma='180deg'

L(d-axis)MachineSolutions1gamma='0deg'

L(q-axis)MachineSolutions1gamma='180deg'

L(q-axis)MachineSolutions1gamma='0deg'

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00Time [ms]

-60.00

-40.00

-20.00

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

Cu

rre

nt(

Ph

ase

A)

[A]

Maxwell2DDesign1_ACVnormXY Plot 2

m1

m2

Curve Info

Current(PhaseA)Setup1 : Transient

Name X Y

m1 8.2000 97.6263

m2 68.2000 47.1699

T=1/f

Постпроцессор Карты эффективности

1

Speed_rpm [rpm] 1000.000000

InputPower [kW] 27.026186

OutputPower [kW] 22.435100

Torque [NewtonMeter] 214.239426

Speed [rpm] 1000.000000

PowerFactor 0.584396

SupplyCurrent [A] 141.417974

PhaseVoltage [V] 109.005576

CoreLoss [W] 113.115481

SolidLoss [fW] 0.000000

StrandedLossR [kW] 2.400000

MechanicalLoss [W] 99.999532

TotalLoss [kW] 2.613115

Efficiency 89.567660

PowerBalance 8.897381

V(d-axis) [V] -137.705223

V(q-axis) [V] 37.234678

I(d-axis) [A] -68.404310

I(q-axis) [A] 187.938422

L(d-axis) [mH] 1.600205

L(q-axis) [mH] 1.982361

FluxLinkage(d-axis) [Wb] 0.068288

FluxLinkage(q-axis) [Wb] 0.331973

PostProcessingData Table 1

0.00 12.50 25.00 37.50 50.00 62.50 75.00 87.50Gamma_TSC [deg]

-12.50

7.50

27.50

47.50

67.50

87.50

100.00

Y1

[N

ew

ton

Me

ter]

Design_BH_right_Current_Gamma_Sweep1Torque vs Gamma

𝛾 𝑖

F

I

Автоматизация расчётов эл. машин


Модели ECE синхронных машин


Модели ECE асинхронных машин

Скрипт разработан для идентификации параметров стандартной эквивалентной схемы на основании экспериментов с КЭ моделью.

Скрипт обеспечивает весьма хорошую точность извлеченных результатов.

Преимущество скрипта в идентификации параметров на основании результатов различных экспериментов с различными источниками возбуждения.

Rs jwLss jwLsr Rr /sis ir

us Rc(w)

ic

jwLm

im


Модель учёта потерь в частотной области

N

n

nencnh nfBKnfBKBnfKP1

5.122)(

Преимущества:

• Потери вычисляются, как функция от частоты• Вычисляет и отображает гармоники, которые

производят потери• Коэффициенты потерь в стали могут быть

переменными в зависимости от частоты и величины магнитной индукции

Замечания:

• Модель учета потерь во временной области требует периодическую функцию.

• Требует правильного шага интегрирования для высокочастотных гармоник


ANSYS Cable Design Toolkits


ANSYS Transformer Design Toolkits


ANSYS Simplorer


Многоуровневое моделирование

ThermalElectromagnetic MechanicalFluidic

Уровень компонентов

Уровень подсистемы

Уровень системы

Acoustic

ANSYS: FEA EM Field Solvers

ANSYS: FEA Multiphysics Solvers

XPrtTools

Старт

Старт

Старт

Simplorer


Многоуровневые системы

Электрические Магнитные

JA

MMF

Механические

L

HQ

Гидравлические,температурные и др.

Общая шина данных Simplorer/ Симулятор мультидисциплинарных систем

Блок-схемы

Дифференциальные уравнения

ucref-utri<=0

lcn

SET: itrcn:=0

SET: itrcp:=0

DEL := lcn##td

SET: itrcn:=0

SET: itrcp:=1

ucref-utri>=0

SET: itrcp:=0

SET: itrcn:=1

SET: itrcp:=0

SET: itrcn:=0

DEL := lcp##td

ucref-utri<=0

ucref-utri>=0

lcp

Состояния Совместный анализ

-- Copyright

ENTITY R IS

PORT (QUANTITY R : RESISTANCE := 1.0;

TERMINAL p,m : ELECTRICAL);

END ENTITY R;

ARCHITECTURE behav OF R IS

QUANTITY v ACROSS i THROUGH p TO m;

BEGIN

v == i*R;

END ARCHITECTURE behav;

Digital/VHDL VHDL-AMS C/C++


Модели пониженного порядка

Одна из основных особенностей, включать в расчёт модели КЭ различных модулей ANSYS .

Thermal

Mechanical

Electrical

Magnetic


Примеры применения. Тепловые режимы полупроводников инвертора.


Примеры применения. Совместный расчёт драйверов и двигателей (КЭМ)


Высокопроизводительные вычисления


Варианты использования вычислителей

• Локальный компьютер

• Удаленный компьютер

• Распределенные вычислители в локальной сети

• Использование планировщика кластера


Решатели Maxwell могут работать только в рамках единой аппаратной памяти:

- Станция

- Ноутбук

- Узел кластера

Все ядра, которые участвуют в вычислениях единой задачи, должны располагаться на единой платформе с доступом к единой памяти.

Невозможно использовать 2 станции или 2 узла кластера для решения одной задачи Maxwell.

Замечание: HFSS может использовать метод декомпозиции доменов DDM и нет ограничений на количестве вычислителей для единой задачи.

SMP архитектура вычислений в Maxwell

4 узла кластера


Time Decomposition Method

Текущее состояние – последовательное решение временных шагов:

Новый метод (TDM) – одновременное решение всех временных шагов:

t1 t2 t3 t4 tnt0𝟎

t0 t1 t2t3 t4

tn…


Time Decomposition Method

Новый метод (TDM) – одновременное решение всех временных шагов:

t0 t1 t2t3 t4

tn…

Рабочая станция

Несколько

рабочих

станций

Кластеры

Облачные технологии


Пример: 8kW BLDC Motor 2000 rpm

880,000 Tets 1,700,000 DoF

17 GB RAM 1000 Time Steps

Boxes:

4 Boxes

Each box has

12cores/64 GB RAM

Cluster:

Cluster with 8 nodes

Each node has 16cores/128 GB RAM

NodesXCores Total Cores Tasks Subdiv. DOFs/Subdiv. Solve Time SpeedUp

1X8 8 - 1 1.7Mil 270hours18min -

4X8 32 32 37 52.7Mil 23h18min 11.6

4X16 64 64 18 107.1Mil 15h48min 17.1

6X16 96 96 12 161.5Mil 12h12min 22.1


ANSYS Workbench 17.1. Связанные задачи.


• Workbench 17.2 Двусторонняя температурная связьДвусторонняя прочностная связь

Температура идеформ.сетка КЭ

ЭМ потери

ЭМ силы

ANSYS FLUENTANSYS ThermalANSYS Transient Thermal

ANSYS Static StructuralANSYS Transient Structural

Maxwell 2D/3DПолевое электромагнитное

решение

Междисциплинарные расчёты


Магнитное поле

Анализ вибрации и акустики

Динамический анализ Акустическое поле

Гармонические усилия Перемещения


Механическое напряжение изменяет магнитное поле

Размеры изменяются из-за воздействия магнитного поляПрименение:

• Анализ вибрации и шума

– Трансформаторы

– Электрические машины

– Соленоиды

– Датчики

• Умные материалы

Inverse Magnetostriction

Magnetostriction

Electro-magnetic

Solution

Displacement Vector+

Strain & Stress Tensor

Magnetic Force+

Magnetostriction Force

Mechanical

Structure Solution

Магнитострикция


SimplorerSystem Design

PP := 6

ICA:

A

A

A

GAIN

A

A

A

GAIN

A

JPMSYNCIA

IB

IC

Torque JPMSYNCIA

IB

IC

Torque

D2D

MaxwellElectromagnetic Components

PExprtMagnetics

RMxprtMotor Design

Q3DParasitics

ANSYS

MechanicalThermal/Stress

ANSYS CFDThermal

Эквивалентные

модели

Совместное решение

Полевое решение

Создание модели

Силовая электроника и электромеханика. Объединение решений в ANSYS.

OptimetricsLS-DSO


Модули для решения задач электромеханики и силовой электроники

ANSYS Функциональность Особенности

Simplorer Симулятор цепей, системный анализ Многоуровневое междисциплинарное моделирование

Maxwell МКЭ. Решатели электромагнитного поля Автоматическая адаптивная сетка, 3Dпереходные процессы, включая движение

PExprt Аналитическое решение для трансформаторов и катушек индуктивности

Связь с Simplorer и Maxwell для полного КЭА

RMxprt Аналитическое решение для двигателей и генераторов

Связь с Simplorer и Maxwell для полного КЭА

Q3D Определение R,L,C,G паразитных параметров

Частотно зависимые модели подключены к Simplorer

ANSYS Mechanical

Простые деформации и температурный анализ

Прямая связь Maxwell с ANSYS Workbench

ANSYS CFD Температурный анализ в жидких средах Прямая связь с Maxwell

ANSYS Icepak Охлаждение электроники Прямая связь с Simplorer


Спасибо за внимание!

Date post:	16-Apr-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	42 times
Download:	0 times

Продукты ANSYS для для моделирования низкочастотных ... ·...

Documents