Электромеханика

Моделирование электромагнитного поля при помощи инструментов компании ANSYS

В настоящее время увеличивается спрос на более производительные, безопасные и топливно-экономичные электротехнические изделия, что стимулирует инновации и интеграции в проектировании электромеханических и мехатронных систем. Современные решения становятся всё более сложными и многоуровневыми, что требует принятия инженерами новой стратегии разработки в основе которой лежат передовые инструменты для точного определения взаимозависимых физических доменов, например, электромагнитные компоненты, интегрированные в силовые электрические схемы и системы управления.

Компания ANSYS является ведущим мировым разработчиком программного обеспечения для моделирования распределения электромагнитных полей, что позволяет получить детальное представление о характеристиках проектируемого изделия. Комплекс ANSYS Elecromagnetic Suite содержит все необходимые инструменты для решения сложнейших задач электромеханики, таких как нелинейные, нестационарные переходные процессы в электромагнитных устройствах с учётом больших перемещений, их влияние на силовые цепи привода и систему управления. Благодаря реализованной интеграции передового симулятора электромагнитного поля в междисциплинарную среду моделирования системного уровня, команда разработчиков может точно спрогнозировать производительность изделия задолго до создания прототипа "в железе". Такой рабочий процесс позволяет ускорить разработку инновационных продуктов, соответствовать план-графику, снизить затраты на испытания опытных образцов.

Во многих отраслях промышленности, для повышения энергетической эффективности, электрические двигатели находят всё новое применение. В центре внимания автомобильной промышленности выступают технологии гибридных и электрических двигателей, так как удельный расход топлива стал одной из важнейших характеристик. Аэрокосмическая и оборонная отрасль рассматривают замену существующих технологий передачи энергии (например, центральная гидравлическая система) на отказоустойчивую электроэнергию, в которой основные подсистемы (запуск двигателя, основная система управления полётом, насосы, системы торможения) контролируются электроникой. Рынок промышленной автоматизации использует миллионы электродвигателей и систем электроприводов насосов, вентиляторов и воздуховодных систем.

Моделирование электрической машины со встроенными постоянными магнитами в ANSYS Maxwell

Комплексная методика проектирования может полностью поддерживать эти новые сферы применения и удовлетворять требованиям энергоэффективности. Большинство научно-исследовательских работ по улучшению методик проектирования двигателей фокусированы на самом двигателе, а не на системе с электроприводом. В результате множество часто несовместимых инструментов моделирования используется для решения задач разного уровня сложности, от двигателя к системе электропривода, что приводит к ошибкам, задержке цикла проектирования и повышению себестоимости за счёт итеративных испытаний. Междисциплинарный комплекс ANSYS и современные масштабные инженерные технологии предлагают идеальные возможности для решения этих задач.

Электромеханические и электромагнитные компоненты, такие как электродвигатели, приводы, электромагниты, датчики, трансформаторы и катушки индуктивности, являются важнейшими элементами современной высоко автоматизированной продукции. Разработчики этих устройств заинтересованы создавать менее габаритные и дорогие, более надежные компоненты, что приводит к большей потребности моделирования чем к реальным экспериментам. Геометрические параметры, частотные характеристики, свойства материалов, температурные условия и многие другие физические аспекты значительно влияют на процесс проектирования компонентов. Программное обеспечение ANSYS позволяет решать задачи с учётом всех перечисленных эффектов в виртуальной среде моделирования.

Магнитная индукция и распределение плотности тока в проводящих узлах автоматического выключателя.

Ведущее программное обеспечение в отрасли технологий численных решателей ANSYS Maxwell успешно справляется с решениями задач нестационарного магнитного поля с движением элементов модели, переменного электромагнитного поля, магнитостатических и электрических полей. Удобный постпроцессор ANSYS Maxwell содержит все необходимые инструменты для визуализации поля, решатели точно определяют интегральные величины полей, таких как, усилия, вращающий момент, матрицы емкостей, индуктивностей и импеданса.

Возможности междисциплинарного моделирования появляются в рабочей среде ANSYS Workbench, пользователи могут объединить модель ANSYS Maxwell с ANSYS Mechanical, ANSYS Fluent или ANSYS IcePak для расчёта напряжённо-деформированного состояния модели, решения задач гидрогазодинамики и теплообмена. Объёмное тепловыделение, определённое в ANSYS Maxwell, может являться начальными условиями нагружения для задачи CFD и теплообмена. Температурный профиль модели может использоваться повторно в модели ANSYS Maxwell для оценки производительности в электромагнитной задаче или быть переданным, в качестве входных данных, в ANSYS Mechanical для определения механических деформаций под влиянием температуры. Таким образом, ANSYS обеспечивает междисциплинарный подход к решению задач.

Скорость микропроцессорной техники и её надёжность позволяют интегрировать в традиционные механические и гидравлические процессы электронные системы управления и электрическое оснащение. Увеличение операционной эффективности мехатронных и систем силовой электроники предоставляет дополнительные возможности по автоматизации посредством сочетания механических, электронных и встраиваемых программных компонентов. Например, современные автомобили называются компьютерами на колёсах, так как используют электронные системы для широкого спектра функций безопасности, диагностики, управления двигателем и многих других функциональных узлов. Аналогично, авиастроение, оборонные системы, станки, бытовая техника и многие другие изделия основаны на силовой электронике и мехатронных системах.

Комплекс ANSYS Simplorer позволяет инженерам эффективно моделировать сложные автомобильные системы, от электромеханических компонентов до схем и систем, в том числе и встраиваемое программное обеспечение систем управления.

Объединение аналоговых, цифровых, смешанных сигналов электроники с механическими, гидравлическими, электромеханическими и другими компонентами для получения результатов в рамках одной расчётной модели чрезвычайно сложная задача. Программное обеспечения системного уровня ANSYS Simplorer для инженерного моделирования позволяет создавать виртуальный прототип этих мехатронных и систем силовой электроники, рассматривать процессы либо в рамках одной дисциплины, либо междисциплинарно. В результате наблюдается резкое сокращение сроков и стоимости разработки, повышение надёжности системы и оптимизированная производительность.

Гибкость программного обеспечения ANSYS Simplorer позволяет пользователям выбирать желаемый метод моделирования при реализации систем управления. ANSYS Simplorer имеет встроенную библиотеку хорошо отлаженных компонентов для реализации управления, а также позволяет использовать сторонние инструменты для интеграции существующих систем управления в междисциплинарное моделирование, которое может включать различные электрические, цифровые, электромеханические, механические, тепловые или гидравлические компоненты. ANSYS Simplorer применяют для моделирования гибридных двигателей HEV, источников возобновляемой энергии (ветер, вода, солнце), беспроводной передачи энергии и решения других задач силовой электроники, электрических распределительных систем.

Блок-схема управления для контроля токов D - и Q – осей. Диаграммы состояния машины для реализации управляющих сигналов затворов IGBT силовой цепи электродвигателя на основе событий.

ANSYS Simplorer является мощным много доменным инструментом моделирования систем, который включает в себя электрические, цифровые, магнитные, тепловые и механические подобласти. Комбинирует консервативный узел схемотехнического моделирования с сохранением закона Кирхгоффа для токов и напряжений и неконсервативные компоненты, такие как сигнальные блоки, элементы диаграмм состояний (State Machines), цифровые компоненты. Одно из существенных преимуществ ANSYS Simplorer – обмен результатами моделирования между различными физическими доменами, например, мгновенная мощность в электрической цепи используется в качестве входной мощности в блочную сигнальную цепь, диаграмму состояний (State Machines) или тепловой компонент. Это обеспечивает бесперебойный обмен информацией между различными физическими доменами и компонентами детализированных моделей, посредством co-simulation или моделей пониженного порядка (ROM), в рамках продуктов ANSYS

Схема управления высокоскоростным двигателем на VHDL-AMS и С++.

Продукты