Elektromagnetismus a multidisciplinární analýzy

Tags: Analýzy | CAD | CAE | Výpočty

V posledních letech jsou v technické praxi zcela běžné návrhy vytvořené pomocí pevnostních výpočtů a analýz proudění, které optimalizují výsledné parametry zařízení. Pomocí těchto analýz můžeme navrhnout zařízení, která jsou levnější a zároveň dosahují vyšších technických parametrů a umožňují tak získat významnou konkurenční výhodu. Oblasti, ve kterých nám mohou technické výpočty výrazně pomoci, jsou kategorie elektrických zařízení, jako např. elektromotory, transformátory a celá oblast spotřební elektrotechniky.

Model 3fázového 30MVA transformátoru s rozložením magnetické indukce na jádře

Pro analýzu nejrůznějších elektromagnetických problémů vyvíjí společnost ANSYS, Inc. (USA) program ANSYS Maxwell. Doplnila tak řadu svých produktů, které nabízí komplexní řešení problémů v oblasti proudění a pevnostních analýz, o analýzy elektromagnetické. ANSYS Maxwell využívá metod MKP (metoda konečných prvků) pro nalezení řešení úplné soustavy Maxwellových rovnic. Konstruktér tak dostává do rukou silný nástroj pro návrh a optimalizaci elektrických strojů a zařízení.

Program ANSYS Maxwell a jeho moduly

Práce s programem je díky grafickému uživatelskému rozhraní velice jednoduchá a intuitivní. Uživateli je při spuštění nabídnuto 6 typů řešičů, každý přizpůsobený pro efektivní výpočet jiného druhu problému. Je možné provádět analýzy stacionární, nestacionární, s harmonickými zdroji elektromagnetických polí nebo analýzy frekvenční. Uvedené analýzy nacházejí uplatnění při projektování elektromotorů, generátorů, transformátorů, aktuátorů, induktorů a také spotřební elektrotechniky.

Elektromagnetická pole indukovaná mechanickým pohybem částí stroje jsou ve výpočtu zahrnuta automaticky. Program má inteligentní algoritmy pro návrh a optimalizaci výpočetní sítě (autoadaptive meshing). V několika krocích je síť optimalizována v místech největší chyby řešení; ta je počítána z podmínky nevířivosti magnetického pole. Program dokáže pracovat i s materiály nelineárními s definovanou BH závislostí, s materiály laminovanými složenými z izolovaných plechů, s materiály anizotropními, nehomogenními a teplotně závislými. Proces geometrického návrhu elektrického stroje usnadňují dva expertní moduly: ANSYS RMxprt – pro točivé stroje, ANSYS PExprt – pro transformátory. Na základě analytických vztahů jsou provedeny rychlé výpočty navrhovaného stroje. Uživatel má během několika sekund základní informace o svém výrobku. Navržená geometrie se jednoduše exportuje do programu ANSYS Maxwell, kde je proveden kompletní FEA výpočet. ANSYS Maxwell dále disponuje vlastními optimalizačními nástroji – hledání extrémů cílové funkce, parametrické studie, citlivostní studie. Při požadavku na nízké výrobní náklady optimalizace umožní navrhnout zařízení s vylepšenými technickými parametry.

Multifyzikální problémy

Svět, ve kterém žijeme, je multifyzikální. Fyzikální jevy spolu navzájem souvisí a pro požadovanou přesnost není možné prováděné analýzy studovat zvlášť. Při vývoji nového produktu je potřeba vzít v úvahu všechny fyzikální souvislosti. Společnost ANSYS se zajímá o potřeby svých uživatelů, proto na sebe jednotlivé specializované programy navazují prostřednictvím prostředí ANSYS Workbench, které zabezpečuje sdílení a vzájemné předávání dat. V případě elektrických strojů se multifyzikální analýzy projevují kombinací elektromagnetických polí, polí teplotních a silových účinků na konstrukci. Praktické využití multifyzikálních analýz nacházíme například ve velmi aktuální oblasti návrhu elektromotorů pro elektromobily. Elektromotor musí být konstruován s důrazem na nízkou hmotnost při dostatečném výkonu a omezeném oteplení.

Teplotní analýzy

Průchodem elektrického proudu vodičem vznikají ohmické ztráty, které způsobují zahřívání elektrického stroje. K zahřívání přispívají také hysterezní ztráty vznikající v důsledku přemagnetovávání feromagnetických látek. V proměnných magnetických polích vodivých částí elektrických strojů jsou generovány vířivé proudy, které jsou dalším zdrojem ohřevu. Prostředí ANSYS Workbench podporuje vzájemné provázání mezi elektromagnetickými výpočty v programu ANSYS Maxwell a teplotními výpočty v programu ANSYS Mechanical nebo ANSYS CFD (ANSYS FLUENT, ANSYS CFX). Nejdříve je nutné vytvořit v obou programech geometrický model, který má totožné díly, u kterých se počítají elektromagnetické ztráty. V dalším kroku se provede výpočet elektromagnetických polí. Výše popsané druhy elektromagnetických ztrát mohou být jednoduchým postupem (díky prostředí ANSYS Workbench) importovány na geometrii v programech ANSYS Mechanical nebo ANSYS CFD.

Importovaná data lze využít k deklaraci objemových zdrojů tepla nebo tepelných toků. Specifikováním tepelných materiálových vlastností a okrajových podmínek je možné v programu ANSYS Mechanical nebo ANSYS CFD spustit výpočet teplotních polí. Získáme rozložení teplot na vytvořeném modelu v ustáleném stavu. V programu ANSYS Mechanical se řeší prosté vedení tepla v pevné struktuře. Výpočet v programu ANSYS FLUENT je formulován včetně proudění tekutin v okolí elektromagneticky zahřátých těles (např. ohřev vzduchu v okolí cívky s elektrickým proudem na obrázku) a s jejich využitím pro chlazení daného zařízení.

Elektromagnetické vlastnosti materiálů mohou být teplotně závislé (např. elektrická vodivost). Prostředí ANSYS Workbench dokáže zpětně přenést vypočtené teplotní pole na model v programu ANSYS Maxwell a spustit elektromagnetický výpočet s aktualizovanými okrajovými podmínkami. Výsledkem je nové rozložení ztrát, které může být opět použito k tepelnému výpočtu. V několika iteracích získáváme ustálený stav pro teplotně závislé materiály.

Strukturální výpočty

Elektromagnetická pole mohou být zdrojem vzájemného silového působení mezi jednotlivými díly navrhovaného stroje. Silová pole dokáže program ANSYS Maxwell kvantifikovat a díky prostředí ANSYS Workbench dokáže hustotu silového působení snadno importovat do programu ANSYS Mechanical. Zde jsou importovaná data užita jako zatížení pro strukturální výpočet. Výsledkem získáme deformace a napětí v důsledku elektromagnetického silového působení.

Mechanický pohyb

Samotný program ANSYS Maxwell dokáže zpracovat dva druhy energie. Energii mechanickou (mechanický pohyb komponent elektrického stroje) a energii elektromagnetickou. Elektromagnetická pole generují silová působení na jednotlivé součásti modelu, důsledkem je mechanický pohyb pohyblivých částí. Změna konfigurace zpětně ovlivní rozložení elektromagnetických polí. Navíc mohou být při mechanickém pohybu ve vodivých částech modelu generovány vířivé proudy způsobující ohřev. Všechny tyto interakce dokáže program ANSYS Maxwell ve výpočtech zahrnout.

Praktickým příkladem využití těchto schopností programu ANSYS Maxwell byla optimalizace elektromagnetického aktuátoru využívaného v převodovém mechanismu tramvajových výhybek. Cílem optimalizace bylo navrhnout vhodný tvar zakončení jádra elektromagnetu a optimalizovat počet závitů vinutí cívky, tak aby byla zvýšena tažná síla zařízení a sníženy ztráty ve vinutí. Byl sledován mechanický pohyb jádra elektromagnetu a vývoj elektromagnetických polí během závěru aktuátoru. Výsledkem optimalizace bylo zvýšení tažné síly o 50 % a redukce času závěru o 25 %.

Závěr

Společnost ANSYS přináší sadu spolehlivých nástrojů pro kompletní multifyzikální analýzu elektrických strojů a zařízení. Pomocí těchto nástrojů může uživatel efektivně a bez výrazných nákladů svůj výrobek upravovat a optimalizovat. Vaše výrobky tak mohou být projektovány s důrazem na nízkou cenu a vysokou kvalitu technických parametrů. Získají tím výrazný náskok před neustále rostoucí konkurencí.