Продукты ansys для для моделирования низкочастотных ... ·...
TRANSCRIPT
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 20161
Продукты ANSYS длядля моделирования низкочастотных электромеханических устройств
Клявлин Алексей
Инженер технической поддержки. Электромагнитное направление.
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 20162
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 20163
ANSYS Maxwell 2D\3D
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 20164
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 20165
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 20166
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
Величины поля
Учитываются: Вихревые токи
Токи смещения
Гистерезис
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 20167
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
Величины поля
Потери на вихревые токи и перемагничивание
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 20168
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
Величины поля
Запасённая энергия
Поверхностная плотность заряда
Потери
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 20169
СкоростьМоментТок
Цепь управленияDC двигатель
Задачи с движением.
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201610
Применение ANSYS Maxwell
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201611
Применение ANSYS Maxwell
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201612
Применение ANSYS Maxwell
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201613
ANSYS RMxprt
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201614
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201615
Ввод пользовательских данных
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201616
Типичные результаты
Полный отчёт о характеристиках машины для различных режимов работы
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201617
Автоматизация проектирования.
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201618
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201619
ANSYS RMxprt, как дополнение к Maxwell 2D/3D
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201620
-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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201621
Модели ECE синхронных машин
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201622
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201623
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201624
ANSYS Cable Design Toolkits
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201625
ANSYS Transformer Design Toolkits
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201626
ANSYS Simplorer
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201627
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201628
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++
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201629
Модели пониженного порядка
Одна из основных особенностей, включать в расчёт модели КЭ различных модулей ANSYS .
Thermal
Mechanical
Electrical
Magnetic
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201630
Примеры применения. Тепловые режимы полупроводников инвертора.
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201631
Примеры применения. Совместный расчёт драйверов и двигателей (КЭМ)
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201632
Высокопроизводительные вычисления
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201633
Варианты использования вычислителей
• Локальный компьютер
• Удаленный компьютер
• Распределенные вычислители в локальной сети
• Использование планировщика кластера
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201634
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201635
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…
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201636
Time Decomposition Method
Новый метод (TDM) – одновременное решение всех временных шагов:
t0 t1 t2t3 t4
tn…
Рабочая станция
Несколько
рабочих
станций
Кластеры
Облачные технологии
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201637
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201638
ANSYS Workbench 17.1. Связанные задачи.
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201639
• 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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201640
Магнитное поле
Анализ вибрации и акустики
Динамический анализ Акустическое поле
Гармонические усилия Перемещения
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201641
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201642
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201643
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
© 2011 ANSYS, Inc. December 7, 201644
Спасибо за внимание!