ANSYS Emag

ANSYS EMAG – один из многочисленных модулей программного комплекса ANSYS, предназначен для моделирования низко и высокочастотного электромагнитного поля методом конечных элементов. ANSYS EMAG существует как в классическом интерфейсе ANSYS Mechanical APDL, так и в интерфейсе ANSYS Workbench. Существенным отличием от похожих программных продуктов является возможность использования универсального языка программирования ANSYS Parametric Design Language, который может быть использован для создания очень гибких параметрических моделей и оптимизационных процедур.

Конечноэлементное моделирование широко используется в промышленности, создавая виртуальные прототипы изделий, предприятия могут заменить целую серию дорогостоящих натурных экспериментов, улучшить процесс проектирования и, в конечном итоге, ускорить вывод качественной продукции на рынок. Использование ANSYS EMAG позволяет пользователям определить:

  • Характеристики разрабатываемых устройств для различных нагрузок и граничных условий
  • Визуализацию электромагнитного поля внутри и вокруг объекта исследования
  • Результирующую температуру при джоулевом нагреве
  • Выявить ключевые параметры объекта, например, вращающий момент или S параметры

Несмотря на то, что появляются новые продукты схожего направления для более комфортной работы при решении одинаковых задач (ANSYS Maxwell, ANSYS HFSS), ANSYS EMAG имеет большое количество пользователей, а для некоторых задач имеет уникальные преимущества. В большей степени это задачи, связанные с моделированием сильной связи между электромагнетизмом и механикой, например, микро электромеханические устройства MEMS, а также индукционный нагрев, задачи определения траекторий заряженных частиц в области действия магнитных и электрических полей. Стоит выделить задачи подобные моделированию магнитного поля линии электролизёров алюминия, когда для правильного расчёта необходимо рассматривать магнитное поле целой линии и цеха, в таком случае возможности ANSYS EMAG по простоте постановки задачи вне конкуренции.

Часть модели для расчёта магнитного поля электролизёра алюминия. ANSYS EMAG имеет функционал для работы с геометрически большими объектами без увеличения размерности задачи.

Типичные задачи для ANSYS EMAG из области низко и высокочастотного электромагнетизма:

  • Электрические машины и электромагниты
  • Устройства линейного перемещения
  • Системы с постоянными магнитами
  • Вихретоковые тормозные системы
  • Индуктивная система зажигания
  • Ионная оптика
  • Регистрация частиц
  • Неразрушающий контроль
  • Индукционная закалка
  • Конденсаторы
  • Высоковольтные изоляторы
  • Биомедицинская визуализация
  • Электроимпедансная томография
  • Антенны
  • Основные микроволновые компоненты
  • Микрополосковые цепи
  • Радиочастотные аттенюаторы
  • Коаксиальные волноводы
  • Обтекатели
  • Фазированные антенные решётки
  • Радиочаcтотные MEMS
  • Определение удельного коэффициента поглощения (SAR)

Программный комплекс ANSYS, позволяет решать задачи моделирования электрического поля относительно скалярного электрического потенциала: электростатика, гармоническое и нестационарное электрическое поле для линейных материалов.

Нестационарное электрическое поле и распределение потенциала в диэлектриках после 1мс подведения 1В.

В качестве нагрузок при решении таких задач может быть использовано как распределение непосредственно электрического потенциала, так и электрического заряда. Электрический заряд может быть точечным или распределенным вдоль линии, поверхности или объему. Наряду с классическими граничными условиями могут быть использованы элементы, не ограничивающие модель (INFIN). Для решения задач электростатики может быть применен метод Трефтца. Есть возможность расчета электрических емкостей, как собственных, так и взаимных. На данный момент только в задачах электростатики и прочности доступны так называемые p-элементы – элементы переменной степени полинома (до 8-ой степени).

Распределение потенциала электрического поля измерительного трансформатора

К этому разделу можно отнести и растекание постоянного тока в проводящих структурах без учета магнитного поля, а, следовательно, и всех непроводящих объектов, в том числе и воздуха. В качестве неизвестной здесь выступает электрический потенциал. В качестве нагрузок может быть использовано распределение электрического потенциала или произвольно приложенные постоянные токи. Этот режим удобен для «сквозного» решения задач нагрева объектов с учетом тепловыделения от постоянного электрического тока, а также вычисленное распределение плотности тока может быть использовано в магнитостатическом анализе в качестве источника поля.

Растекание тока в проводящей структуре

Особенности:

  • Плоская и осесимметричная постановка двумерных задач
  • H-элементы второго порядка и адаптивные р-элементы
  • Элементы типа INFIN или гибридный BEA/FEA метод Трефтца для открытых областей
  • Учёт проводящих и ёмкостных эффектов
  • Вычисление матрицы частичных емкостей систем проводников
  • Вычисление матрицы проводимостей систем проводников
  • Передача сил из электростатического домена в прочностной анализ (MEMS)
  • Передача электрических токов, объёмного тепловыделения в проводниках и диэлектриках, как источников, в последующий магнитный или тепловой анализ.

Программный комплекс ANSYS, позволяет решать задачи моделирования магнитного поля относительно скалярного и векторного магнитного потенциала: магнитостатическое, гармоническое и нестационарное магнитное поле для линейных и нелинейных материалов.

Магнитостатика

Для решения магнитостатических задач могут быть использованы разные подходы. Двумерные задачи решаются относительно одной из составляющих векторного магнитного потенциала. Для решения объемных задач может быть использован как векторный магнитный потенциал (в узловой или рёберной формулировке), так и скалярный. В качестве источника может быть задано распределение соответствующей неизвестной: плотность тока в объемном проводнике, ток в катушке индуктивности или постоянные магниты. Так же может быть решена задача распределения постоянного тока по объемному проводнику (заданный ток в узел или поверхность). Нелинейные свойства магнитных материалов задаются с помощью кривой намагничивания B-H, а постоянные магниты – с помощью кривой размагничивания с фиксированной коэрцитивной силой. В результате может быть получено распределение магнитного потенциала по объему модели, напряженности и индукции поля, магнитных сил и пр. Возможен расчет индуктивностей и взаимоиндуктивностей произвольного количества катушек.

Векторный график магнитной индукции в системе датчик - объект

Особенности:

  • Плоская и осесимметричная формулировки двумерных задач
  • Формулировка магнитного векторного потенциала (MVP) для двумерных задач
  • Элементы 1-го и 2-го порядка
  • Трехмерные MVP и MSP формулировки элементов
  • Элементы – источники поля по интегралу Био-Савара для MSP
  • Трехмерная рёберная формулировка элементов
  • Ток и напряжение в качестве возбуждения
  • Вычисление потокосцеплений и матрицы дифференциальных индуктивностей систем проводников

Гармоническое магнитное поле

В качестве неизвестных при решении задач гармонического анализа доступен векторный магнитный потенциал в узловой или реберной формулировке. Для проводящих сред и катушек индуктивности вводятся дополнительные неизвестные. Есть возможность моделировать катушки индуктивности и проводники, нагруженные как источником тока, так и источником напряжения. При этом рассчитываются распределения индукции и напряженности поля, вихревые токи, магнитные силы, вращающий момент и пр.

Магнитное поле переменного тока

Рассчитываются потери энергии в системе, в том числе за счет действия наведенных вихревых токов. При построении модели, так же, как и в других типах анализа, могут быть использованы элементы электрических цепей (CIRCUIT) и «бесконечные» элементы (INFIN).

Магнитное поле переменного тока наводит вихревые токи в проводящей пластине

Нестационарное магнитное поле

При анализе переходных процессов поддерживаются все возможности, доступные при гармоническом анализе. Разница только в том, что нагрузки изменяются не по гармоническим, а по произвольным законам, заданными пользователем. Соответственно, картина результатов доступна для любого момента времени.

Результаты решения задач моделирования нестационарного магнитного поля электромеханических устройств.

Возможен анализ нестационарных процессов в моделях с изменяемой в течение времени геометрией, в том числе и с перестроением сетки в непроводящих средах. В качестве примеров расчетов можно привести таких устройства как электрические двигатели, электромагнитные клапаны, пускатели, контакторы, реле, датчики и пр. При этом чаще всего необходимо учитывать механические факторы, влияющие на поведение объектов (трение в опорах, силу тяжести, механический контакт, деформации), т.е. проводить связанный электромеханический анализ системы.

Силовые линии магнитного поля сектора электрической машины и плотность вращающего момента.

Особенности:

  • Гармонический анализ: линейная и нелинейная (для 2D) модель материала
  • Нестационарный анализ: линейная и нелинейная модель материала
  • Проводимость многожильных и массивных проводников, обмоток
  • Ток и напряжение в качестве возбуждения
  • Двухмерный и трехмерный магнитный векторный потенциал (MVP)
  • Трехмерная рёберная формулировка элементов
  • Проницаемые и непроницаемые области
  • Скоростные эффекты
  • Вихревые токи
  • Потери в диэлектриках
  • Электромагнитные контакты

Электрические цепи

Для задач стационарного, гармонического и нестационарного магнитного поля возможно использовать конструктор электрических схем, который позволяет пользователю расширенный функционал по заданию возбуждения конечноэлементной модели. Схемы могут состоять из более 14 типов произвольно расположенных элементов CIRCU124: резисторов, конденсаторов, диодов, катушек индуктивности, проводников, трансформаторов, источников напряжения и тока, а также других компоненты. Схема может подключаться к многожильным и массивным проводникам, для каждого компонента в постпроцессоре доступны соответствующие электрические характеристики, например, I, U, W. Связанная с областью конечных элементов схема позволяет моделировать устройства, в которых должны учитываться эффекты насыщения.

Двуслойная петлевая и короткозамкнутая обмотка электрической машины. Представлена элементами CIRCU124, подключенными к модели конечных элементов.

Для решения задач моделирования сверхвысокочастотных процессов в программный комплекс ANSYS заложены волновые уравнения. Такой подход обеспечивает достаточную точность решения тогда, когда глубина проникновения электромагнитной волны в проводящую или ферромагнитную среду значительно меньше длинны волны. Граница такой среды с диэлектриком может быть идеальной или неидеальной. Это достигается постановкой соответствующих граничных условий. В качестве нагрузок могут быть введены порты различных конфигураций: цилиндрические, коаксиальные, прямоугольные, как идеальные, так и с частичным пропусканием/отражением. Возможно задание удаленного источника с плоской волной в области модели. Доступен модальный анализ и расчет добротности.

 

Анимация высокочастотного поля в волноводе.

Свойства материалов:

  • изотропные нелинейные характеристики В-Н
  • ортотропные (анизотропные) линейные характеристики B-H
  • совмещенные линейные и нелинейные характеристики B-H для ортотропных материалов
  • температурные полиномиальные зависимости для линейных изотропных и ортотропных материалов
  • кривая размагничивания для нелинейных постоянных магнитов
  • изотропная электропроводность с полиномиально-аппроксимированной температурной зависимостью

Граничные условия:

Граничные условия (ГУ) могут быть определены как на внешней границе геометрической модели, так и на плоскостях симметрии.

  • Тангенциальные ГУ - напряженность поля параллельна заданной границе
  • Нормальные ГУ - напряженность поля ортогональна заданной границе
  • ГУ дальней зоны (бесконечность) - аппроксимируют затухание поля при удалении от источников
  • Периодические ГУ - для задач с симметрией любого порядка (например, для многополюсных электрических машин)
  • Спектр ГУ для СВЧ анализа (идеальные/неидеальные границы, поверхностный импеданс, затухание и др.)

Нагрузки:

  • постоянные магниты
  • электрический заряд (точечный, распределенный по поверхности или объему)
  • приложенные токи (в узел)
  • плотности токов в элементах
  • ток в катушках индуктивности
  • разность потенциалов на выводах катушек индуктивности
  • виртуальные перемещения
  • различные конфигурации портов для СВЧ-анализа
  • внешние удаленные источники (плоская волна) для СВЧ-анализа

В результате решения задачи получаем узловые значения степеней свободы, через которые в последствии выражаются требуемые величины.

Возможность расчета:

  • напряженность и индукция магнитного поля
  • напряженность электрического поля и электрическое смещение
  • плотность тока и их абсолютное значение
  • собственные и взаимные индуктивности, ёмкости
  • магнитные силы и моменты
  • потери (в том числе за счет вихревых токов)

Широкие возможности графического отображения результатов:

  • цветовая заливка (абсолютные значения)
  • векторы (с учетом направления)
  • силовые линии
  • эквипотенциали
  • графики
  • отображение отдельных составляющих по координатам
  • отображение отдельно мнимой и реальной составляющих векторных полей
  • создание анимации

В настоящее время модуль ANSYS EMAG присутствует в следующих комбинированных и междисциплинарных лицензиях:

ANSYS Maxwell 3D with EMAG

ANSYS Mechanical CFD Maxwell 3D

ANSYS Mechanical Maxwell 3D

Во всем многообразии модулей расчётной системы ANSYS существует большое количество вариантов междисциплинарного сопряжения, зачастую эти возможности связаны с обменом данными между специализированными пакетами для моделирования различных физических дисциплин. В таком случае, как правило, используются различные сеточные модели с алгоритмами интерполяции данных в различных пользовательских интерфейсах. ANSYS EMAG в комбинации с одной из мультифизичной лицензией даёт возможность проводить междисциплинарные расчёты в едином интерфейсе. Реализованы два метода для объединения решений из разных областей физики на одной сеточной модели – прямое и итеративное сопряжение.

Прямое сопряжение:

  • Единое решение междисциплинарных уравнений
  • Одновременное решение уравнений каждой дисциплины

Итеративное сопряжение:

  • Решение, основанное на последовательно переходящим физическим нагрузкам между полевыми физическими интерфейсами
  • Одновременное или последовательное решение уравнений каждой дисциплины
  • Для итеративного сопряжения необходимы как минимум две итерации, по одной для каждой дисциплины

В междисциплинарной задаче происходит деформирование балок с образованием механического контакта. В результате решения задачи растекания тока, теплообмена и механического контакта доступна анимация процесса разогревания балок.

Используя соответствующие методы сопряжения, можно обозначить следующие классы междисциплинарных задач, встречающихся на практике:

Прямое сопряжение Применение
Пьезоэлектрика Микрофоны, датчики
Пьезосопротивление Датчики давления, акселерометры, тензометрический датчик
Электромагнитные задачи, объединённые с элементами электрических цепей Электрические машины, MEMS
Электростатика – расчёт напряжённо-деформированного состояния MEMS
Задачи с большим количеством эффектов: электричество – тепло – механика - электромагнетизм IC, PCB, задачи электротермического напряжения, MEMS переключатели
Итеративное сопряжение Применение
Электромагнетизм - тепло Индукционный нагрев, нагрев радиочастотных компонентов
Электростатика – механика – гидрогазодинамика MEMS
Электростатика – движение заряженных частиц Ионная оптика, аналитические инструменты, дисплеи с электронной эмиссией
Магнитное поле – механика - теплообмен Электромагниты, электрические машины