ANSYS Maxwell

Общая информация

ANSYS Maxwell — это современное, высокопроизводительное программное обеспечение для моделирования двумерных и трехмерных электромагнитных полей, используемое для анализа моделей двигателей, датчиков, трансформаторов и многих других электрических и электромеханических устройств различного применения.

Математическая основа ANSYS Maxwell - метод конечных элементов, задача которого заключается в нахождении единственно возможного распределения электромагнитного поля в заданной расчётной области при указанных граничных условиях и возбуждении.

ANSYS Maxwell стремительно развивается, высокопроизводительные решатели с высокой точностью и максимальной скоростью рассчитывают статические, гармонические электромагнитные и электрические поля, а также переходные процессы в полевых задачах. Пользователю предоставляется огромный инструментарий и современный постпроцессор для расчёта и оптимизации электромеханических устройств основанном на анализе виртуальной модели.

ANSYS Maxwell применяется для разработки различных электромеханических узлов в электромашиностроении, автомобильной, оборонной, авиакосмической отрасли. Работа с виртуальными моделями, взамен дорогостоящих натурных экспериментов имеет четкую экономическую обоснованность.

  • Электромеханика: двигатели и генераторы, поступательные и вращающиеся электромагниты, реле, микро электромеханические устройства МЭМС.
  • Электромагнетизм: катушки индуктивности, постоянные магниты, датчики, кабели.
  • Силовая электроника: трансформаторная техника, преобразователи, токонесущая ошиновка, IGBT транзисторы и многие другие устройства.
  • Поведение электромагнитных полей: изучение экранирования, электростатические задачи, электромагнитная совместимость, полупроводники, беспроводная передача энергии.
  • Междисциплинарные задачи: магнитное перемешивание, индукционный нагрев, анализ вибрации и акустики в электрических машинах.

Некоторые примеры решения задач с помощью ANSYS Maxwell.

ANSYS Maxwell оснащён встроенным графическим редактором, функционал которого в полной мере обеспечивает потребности пользователя на этапе подготовки модели для расчёта.

  • Импорт геометрической CAD-модели из всех современных пакетов трехмерного моделирования. Более подробно о импорте геометрических моделей можно узнать в описании лицензии ANSYS Alinks for MCAD
  • Работа с большими сборками.
  • База примитивов: прямоугольник, окружность, параллелепипед, цилиндр, конус, сфера, тор.
  • Возможность создания геометрических моделей сверху-вниз (операции с геометрическими примитивами) и снизу-вверх (точки, линии, поверхности, объемы).
  • Операции над геометрическими объектами (сложение, вычитание, пересечение и т.д.).
  • Возможность слияния нескольких геометрических объектов в один.
  • Параметрическое задание геометрии.
  • Проверка на наличие малых геометрических объектов, сингулярностей и многого другого с возможностью визуального контроля .
  • Инструменты измерения геометрических объектов: запрос объема, площади поверхности, длины линии и др. данных
  • ANSYS Maxwell имеет набор примитивов, который используется для упрощения создания и параметризации моделей электрических машин и трансформаторов: элементы статоров, роторов, магнитопроводов, элементы обмоток, корпуса электрических машин.

Некоторые геометрические модели, созданные с помощью примитивов в ANSYS Maxwell.

  • Адаптивный сеточный генератор с автоматическим контролем ошибки вычислений.
  • Полностью автоматизированная процедура разбиения на тетраэдры твердых тел произвольной геометрии.
  • Сгущение сетки (двух и трехмерное) на уже имеющемся разбиении.
  • Построение нерегулярных сеток с разбиением приграничных областей “регулярными слоями”
  • Перестройка сетки в соответствии с полученными в результате расчета узловыми перемещениями
  • Импорт сеточной модели из других проектов.
  • Наличие вспомогательных сеточных операций для контроля дискретизации модели.
  • Структурированные сеточные модели для задач моделирования электрических машин

Структурированные сеточные модели

Адаптивный сеточный генератор

ANSYS Maxwell поддерживает следующие типы задач в линейных и нелинейных средах, плоскопараллельных, осесимметричных, трехмерных постановках:

  • Магнитостатика. Магнитные поля, вызванные распространением плотности постоянного тока в проводниках, постоянными магнитами, а также задачи с внешними постоянными магнитными полями.

Распределение магнитной индукции в магнитной системе электромагнита.

  • Гармонические поля. Установившиеся электромагнитные поля с индуцированными вихревыми токами в проводящих частях модели, вызванные распространением переменных токов в проводниках (одинаковой частоты, разных по фазам). Источником магнитного поля может быть внешнее переменное электромагнитное поле. Решение гармонической магнитной задачи - это полное волновое решение, включающее эффекты электромагнитного волнового излучения. Этот тип решения применяется для решения электромагнитных задач, где значительный вклад в работу модели вносят поверхностный эффект индуцированных токов и эффект близости.

Индуцированные вихревые токи в ферромагнитном проводящем материале.

  • Нестационарное магнитное поле. Рассматривается переходный процесс в электромеханических системах, вызванный постоянными магнитами и токопроводящими обмотками, запитанными источниками напряжения или тока с произвольным изменением во времени. Обмотки могут быть подключены к электрическим цепям управления ANSYS Maxwell Circuit Editor или ANSYS Simplorer. В этом типе решения возможно рассматривать эффекты вращательного или поступательного движения элементов модели в магнитном поле с учетом наведённых вихревых токов.

Моделирование магнитного поля двигателя в ANSYS Maxwell.

  • Электрические поля. Могут относиться к одной из трех категорий:
    • Электростатические поля в диэлектриках, вызванные напряжениями и зарядами.
    • Электрические поля в проводниках, описываемые пространственным распространением напряжения, электрического поля и плотности постоянного тока.
    • Комбинация предыдущих двух вариантов с решениями по полю в проводниках, как начальные условия для электростатической задачи.

Распределение электрического потенциала ЛЭП.

Решение электростатической задачи в ANSYS Maxwell.

  • Поддержка формата Open GL.
  • Перспективные изображения.
  • Цветовая и цифровая индикация элементов и геометрических примитивов согласно их атрибутам.
  • Наличие многооконного режима работы.
  • Построение любых сечений и разрезов.
  • Вывод изображений в форматах WMF, BMP, TIFF, JPEG, AVI.
  • Цветные контурные и векторные представления результатов расчета, эпюры, таблицы, графики.
  • Представление результатов в виде изоповерхностей и изолиний в прозрачном теле.
  • Построение сечений и разрезов и вывод результатов по ним.
  • Интегральный калькулятор поля позволяет производить любые операции с векторным полем и скалярными величинами.
  • Вычисление момента, электрической емкости, индуктивности, реактивного и активного сопротивления.
  • Графический запрос результатов указанием мыши.
  • Анимация в виде движущегося сечения с выводом в нем результатов в контурном или векторном виде.
  • Построение графиков зависимостей переменных, как от времени, так и от других переменных.
  • Алгебраические и матричные операции над результатами.
  • Оценка ошибки расчета и графическая визуализация уровней в виде цветных контурных изображений.
  • Операции над результатами вдоль произвольно задаваемого пути.

Визуализация поля и построение графиков во временном диапазоне в ANSYS Maxwell.

Все расчётные модули ANSYS интегрированы в единую расчётную платформу ANSYS Workbench для более простого обмена данными между ними при решении междисциплинарных задач. Результаты электромагнитного моделирования из ANSYS Maxwell могут использоваться как исходные данные для задач:

  • ANSYS Maxwell – ANSYS Mechanical (Thermal, Transient Thermal, Static Structural) для решения электромагнитной – тепловой, прочностной задачи.
  • ANSYS Maxwell – ANSYS Mechanical для решения задач вибрации и акустики в электрических машинах.
  • ANSYS Maxwell – ANSYS Fluent, ANSYS IcePak для решения электромагнитной – тепловой задачи.
  • ANSYS Maxwell – ANSYS Fluent MHD для решения задач магнитогидродинамики.

Пример возможных междисциплинарных решений для задач электрических машин.

ANSYS Optimetrics — универсальная дополнительная программа, которая добавляет к проекту параметрический, оптимизационный, статистический анализ и анализ чувствительности. Optimetrics доступен в интерфейсе ANSYS Maxwell, как дополнительная опция в дереве проекта. Продукты для численного электромагнитного моделирования ANSYS HFSS, ANSYS Q3D Extractor и ANSYS Maxwell, а также модуль ANSYS RMxprt позволяют вводить в расчётные модели параметры, описывающие геометрические размеры, свойства материалов, возбуждение и граничные условия. ANSYS Optimetrics работает с перебором этих параметров, изменяя расчётную модель в рамках допустимых значений параметров и стремится к достижению требуемых целевых функций или других заданных величин: скалярные, векторные, интегральные и т.д.

Использовании этого дополнительного приложения совместно с ANSYS HFSS, ANSYS Maxwell, ANSYS RMxprt и ANSYS Q3D Extractor предоставляет весьма удобную, автоматизированную, надежную платформу проектирования, позволяющую инженеру лучше понять пространство проектных параметров и сделать обоснованный выбор параметров конструкции.

ANSYS Electronics HPC – дополнительные опции для высокопроизводительных вычислений (HPC) позволяют раскрыть весь доступный потенциал многоядерных, многопроцессорных вычислительных станций и решателей пакета ANSYS Electromagnetic Suite, таким образом обеспечивая максимальную скорость и точность решения. Опция распараллеливания ANSYS Electronics HPC значительно упрощает численное решение задач на сложных моделях, содержащих большое количество геометрических деталей, учитывая междисциплинарность физических процессов.

ANSYS Distribute Solve Option – опция распределённого решения ANSYS Distribute Solve Option (DSO) значительно ускоряет процесс решения параметрических и оптимизационных задач и является аналогом опции ANSYS HPC Parametric Pack. Увеличение производительности достигается за счёт одновременного решения множества комбинаций параметров взамен обычного последовательного перебора. ANSYS DSO поддерживается всеми программными модулями ANSYS Electromagnetics Suite.

ANSYS Maxwell Circuit Editor — программа для создания внешней электрической схемы, которая используется в задачах переходных процессов в ANSYS Maxwell. Хотя в ANSYS Maxwell и предусмотрен большой функционал задания возбуждения произвольной формы, но, когда известна электрическая схема питания обмоток, значительно удобнее может быть использование программы ANSYS Maxwell Circuit Editor, в которой создаётся схема подключения обмоток к источникам. В программе предусмотрен набор стандартных элементов схем: пассивных компонентов, различных типов источников возбуждения, измерительного оборудования и т.д. ANSYS Maxwell Circuit Editor используется ANSYS Maxwell для создания схем замещения электрических машин на основе нестационарного расчёта магнитного поля.

ANSYS Maxwell Circuit Editor. Схема управления двигателя с постоянными магнитами BLDC.

  • Использование для вычислений всех доступных ядер вычислителя с единой физической памятью.
  • Расчёт на удалённой вычислительной станции.
  • Параметрические и оптимизационные расчеты на вычислителях в локальной сети и на кластерных сборках.

Особенности ANSYS Maxwell

ANSYS Maxwell оснащён передовой технологией моделирования векторного гистерезиса. Метод обеспечивает высокую скорость, эффективность и точность описания частных петель гистерезиса для задач любой размерности. Пользователям необходимо ввести основную кривую намагничивания BH и значение коэрцитивной силы Hci магнитного материала. В процессе расчёта нестационарного магнитного поля рабочая точка описывает не только полную петлю гистерезиса, но и частные петли. Эта же технология используется и при полевом определении потерь в стали.

Векторное моделирование гистерезиса в ANSYS Maxwell 2D\3D применим для магнитомягких и магнитотвёрдых материалов, используется для точного учёта магнитного поведения ферромагнитных материалов в двигателях, трансформаторах, катушках индуктивности и соленоидах, когда история рабочей точки магнитного состояния металла имеет значительное влияние на их производительность.

BH рабочая точка и форма входного тока.

ANSYS Maxwell поддерживает работу с нелинейными анизотропными магнитными материалами с учётом взаимовлияния в осевых направлениях, что актуально для большинства магнитных задач, например, анизотропия свойств магнитного датчика или ориентированная зернистая структура электротехнической стали. ANSYS Maxwell так же поддерживает работу с шихтованными конструкциями магнитопроводов. 

Нелинейный анизотропный материал (магнитный датчик).

Шихтованные конструкции.

Анализ размагничивания в ANSYS Maxwell позволяет работать с характеристиками размагничивания постоянных магнитов, расширенными до третьего квадранта. Внешние магнитные поля и повышенная температура могут изменить магнитные свойства магнитотвёрдых материалов и привести к их частичному размагничиванию. ANSYS может комбинировать эти эффекты для точного определения производительности электромеханических устройств.

Определение линии возврата постоянных магнитов при увеличении температуры.

Влияние внешнего поля и увеличения температуры на момент электрической машины.

Для определения потерь в стали ANSYS Maxwell использует методы:

  • Аналитический подход к определению потерь через уравнение Штейметца. Необходимо определить коэффициенты частей уравнения.
  • Полевой метод, основанный на технологии моделирования гистерезиса. Необходимо определить коэрцитивную силу и основную кривую намагничивания. Данная модель хорошо подходит при несинусоидальном возбуждении, так как учитывает частные петли гистерезиса.

Анализ потерь в стали трёхфазного трансформатора.

Все модули ANSYS Electromagnetics Suite поддерживают VB/Java Script, IronPython. Используя возможность написания скриптов может значительно ускорить рутинные операции, а так же позволяет разрабатывать специализированные приложения, например:

  • ANSYS Electric Machines Design Toolkit.

Сценарии Design Toolkits разработаны с использованием IronPython и используются 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 очень затруднительным в FEA.

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

Макросы Electric Machines Design Toolkit.

  • Equivalent Circuit Extractor.

Сценарии на IronPhyton для создания эквивалентной схемы замещения электрических машин для облегчения проведения моделирования системного уровня в .

Макросы Equivalent Circuit Extractor.

  • ANSYS Cable Design Toolkits. Специализированные макросы на IronPhyton для разработки кабелей и создания их эквивалентных цепей.

Макросы Cable Design Toolkits.

  • ANSYS Transformer Design Toolkits. Специализированные макросы на IronPhyton для упрощения создания и решения моделей трансформаторов и индукторов.

Макросы Transformer Design Toolkits.

ANSYS Maxwell – 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 под управлением симулятора позволяет рассчитывать высокоуровневые электромеханические системы. Подобные технологии позволяют пользователям выполнять комплексный расчет систем, состоящих из цифровых и аналоговых цепей, датчиков, электромагнитных устройств, механических, гидравлических и других типов нагрузок, таким образом, максимально приблизить анализируемую модель к реальным условиям эксплуатации.

Цепи управления ANSYS Simplorer подключены к конечноэлементной модели ANSYS Maxwell.