» ANSYS Maxwell – symulacje pracy maszyn elektrycznych

ANSYS Maxwell – symulacje pracy maszyn elektrycznych

Spis Treści:

ANSYS Maxwell jest czołowym programem do obliczeń dla inżynierów zajmujących się projektowaniem i analizowaniem urządzeń elektromagnetycznych i elektromechanicznych w środowisku 2D/3D. Przez wielu użytkowników program Maxwell kojarzony jest nadal z nazwą ANSOFT Maxwell, wynika to z faktu przejęcia na początku 2009 roku firmy ANSOFT przez ANSYS. Dzięki tej fuzji ANSYS zyskał nową grupę wyspecjalizowanych narzędzi do analiz elektromagnetycznych, układów elektrycznych, sterowania oraz symulacji pól sprzężonych.

Dodatkowo dzięki unikalnym możliwościom odwzorowania przemieszczenia elementów umożliwia bardzo rzeczywistą symulację urządzeń takich jak silniki, siłowniki, transformatory, cewki, elektromagnesy itd.

Zaletą oprogramowania ANSYS Maxwell jest prosty interfejs oraz w pełni zautomatyzowany proces obliczeniowy wymagający od użytkownika jedynie stworzenia lub wczytania geometrii, przypisania własności materiałowych oraz określenia interesujących użytkownika wyników analizy np. obliczania sił, momentów, indukcyjności. Wykorzystując technologię adaptacyjnego tworzenia siatki program sam generuje odpowiednią siatkę elementów skończonych, dzięki czemu symulacja przestaje być skomplikowanym zagadnieniem.

Maxwell jest produktem kompletnym, tzn. oprócz solvera zawiera również narzędzie do modelowania geometrii w oparciu o prymitywy oraz algebrę Boole’a, dzięki czemu użytkownik nie potrzebuje dodatkowych narzędzi do tworzenia geometrii. ANSYS Maxwell jest w stanie automatycznie wygenerować siatkę dla rozwiązywanego zagadnienia redukując znacząco czas, który należy poświęcić na budowę siatki elementów skończonych. Dodatkowo istnieje możliwość parametryzacji danych wejściowych (np. automatyczna zmiana wymiarów geometrycznych lub wartości wymuszeń), wprowadzania własnych baz materiałowych oraz obliczania dodatkowych wielkości za pomocą wbudowanego w program kalkulatora Fields Calculator.

Wraz z programem Maxwell użytkownik otrzymuje również moduł Maxwell Circuit Editor, który umożliwia tworzenie prostych układów zasilających, które następnie mogą być wykorzystane do zadawania wymuszeń np. w cewkach silników.

ANSYS Maxwell pozwala również na generowanie modeli zredukowanych (macierzy odpowiedzi układu) jak również wykonywanie tzw. co-symulacji w programie ANSYS Simplorer umożliwiając użytkownikowi sprzężenie części elektromagnetycznej z kompletnym sterowaniem wykonanym w Simplorerze. Sprzężenie Maxwella z Simplorerem pozwala na połączenie nieliniowej części elektromagnetycznej układu z częścią obwodową umożliwiając projektowanie i analizę nie tylko pojedynczych komponentów, ale kompletnych systemów np. układów energoelektroniki czy systemów mechatroniki.

Rodzaje solverów dostępnych w programie Maxwell:

  • stałe pole magnetyczne (magnetostatic) – statyczne zewnętrzne pola magnetyczne (pochodzące od prądów stałych) oraz magnesy trwałe. Solver służący do obliczeń natężenia pola magnetycznego, indukcji magnetycznej, gęstości prądu oraz sił, momentów obrotowych i indukcyjności w konstrukcjach z materiałów zarówno liniowych, jak i nieliniowych.
  • moduł uwzględniający prądy wirowe (eddy current) – przeznaczony do oscylujących zewnętrznych pól magnetycznych oraz zmiennych pól wywołanych prądem AC. Obliczenia wykonywane są dla stanu stacjonarnego z uwzględnieniem efektu zbliżenia, a także zjawiska naskórkowości.
  • zmienne pole magnetyczne (transient magnetic) – zmienne pola magnetyczne wywołane przez zmienne w funkcji czasu, położenia bądź prędkości źródła elektryczne lub magnesy trwałe. Rotacyjne lub translacyjne efekty ruchu mogą być uwzględniane w symulacji. Obliczenia mogą być wykonywane zarówno dla materiałów liniowych, jak i nieliniowych. Ponadto istnieje możliwość użycia zewnętrznego obwodu elektrycznego (np. Maxwell Circuit Editor) lub schematu Simplorera. Moduł uwzględnia efekt zbliżenia, a także zjawisko naskórkowości.
  • stałe pole elektryczne (electrostatic) – statyczne pola elektryczne pochodzące od napięć stałych bądź ładunków elektrycznych. Solver wylicza potencjał elektryczny, a następnie natężenie pola elektrycznego, siły, momenty obrotowe i pojemności tylko dla materiałów liniowych.
  • prąd stały (DC conduction) – moduł obliczający napięcie, natężenie pola elektrycznego, gęstość prądu oraz prądy wzbudzenia. Istnieje możliwość dodania izolacji do symulacji i obliczeń (w 3D).
  • prąd przemienny (AC conduction; transient electric) – zmienne pola elektryczne wywołane zmiennym w czasie napięciem, rozkładami ładunków lub prądem wzbudzenia.

Analizy sprzężone

ANSYS Maxwell dzięki integracji w środowisku ANSYS Workbench umożliwia wykonywanie analiz sprzężonych z wykorzystaniem modułów mechanicznych oraz przepływowych ANSYS umożliwiając wykonywanie m.in. analiz termo-elektryczno-mechanicznych. Analizy sprzężone pozwalają użytkownikowi jeszcze lepiej poznać zjawiska towarzyszące przepływowi prądu jak np. zmiana konduktywności materiału pod wpływem wzrostu temperatury, naprężenia i odkształcenia związane ze wzrostem temperatury, nagrzewanie indukcyjne wskutek indukowania się prądów wirowych:

  • elektromagnetyczno-mechaniczna
  • elektromagnetyczno-przepływowa
  • elektromagnetyczno-mechaniczno-przepływowa
  • elektromagnetyczno-mechaniczna dynamiczna
symulacja pracy maszyn elektrycznych

Maxwell Circuit Editor

ANSYS Maxwell pozwala na prowadzenie obliczeń równoległych oraz dodatkowo wzbogacony jest w narzędzie do projektowania obwodów Maxwell Circuit Editor z wbudowanymi bibliotekami elementów. Z kolei sprzężenie go z programem SIMPLORER, pozwala na znaczne skrócenie czasu obliczeń przy modelowaniu skomplikowanych układów elektromagnetycznych i elektrycznych. Ponadto jest w pełni zintegrowany ze środowiskiem Workbench. Wszystkie te elementy przekładają się na wymierne korzyści finansowe (jakość, cena produktu finalnego) oraz poprawiają konkurencyjność firmy.

symulacja pracy silników elektrycznych


MAXWELL

Oprogramowanie do modelowania zagadnień związanych z polami elektromagnetycznymi niskiej częstotliwości, oparte na równaniach Maxwella. Pozwala na projektowanie i analizowanie dwu- i trójwymiarowych układów elektromagnetycznych i elektrycznych, z uwzględnieniem efektu naskórkowego, zbliżenia czy prądów wirowych. Dodatkowe, unikalne możliwości odwzorowania przemieszczenia elementów umożliwiają bardzo rzeczywistą symulację urządzeń takich jak silniki, siłowniki, transformatory, głowice zapisu R/W, elektromagnesy i in. Kluczową zaletą ANSYS Maxwell jest jego zautomatyzowany proces rozwiązywania, w którym wymagane jest jedynie określenie geometrii, właściwości materiałów i żądanych parametrów. Zawiera narzędzie do modelowania geometrii w oparciu o prymitywy geometryczne oraz algebrę Boole’a. ANSYS Maxwell jest w stanie automatycznie wygenerować siatkę dla rozwiązywanego zagadnienia. Dodatkowo istnieje możliwość parametryzacji danych wejściowych, wprowadzania własnych baz materiałowych oraz obliczania dodatkowych wielkości za pomocą polecenia Fields Calculator.

symulacja pracy silnika z magnesami trwałymi


ANSYS Maxwell dysponuje 6 solverami, w zależności od charakteru rozwiązywanego problemu:

  • stałe pole magnetyczne (magnetostatic) – statyczne zewnętrzne pola magnetyczne (pochodzące od prądów stałych) oraz magnesy trwałe. Solver służący do obliczeń natężenia pola magnetycznego, indukcji magnetycznej, gęstości prądu oraz sił, momentów obrotowych i indukcyjności w konstrukcjach z materiałów zarówno liniowych, jak i nieliniowych.
  • moduł uwzględniający prądy wirowe (eddy current) – przeznaczony do oscylujących zewnętrznych pól magnetycznych oraz zmiennych pól wywołanych prądem AC. Obliczenia wykonywane są dla stanu stacjonarnego z uwzględnieniem efektu zbliżenia, a także zjawiska naskórkowości.
  • zmienne pole magnetyczne (transient magnetic) – zmienne pola magnetyczne wywołane przez zmienne w funkcji czasu, położenia bądź prędkości źródła elektryczne lub magnesy trwałe. Rotacyjne lub translacyjne efekty ruchu mogą być uwzględniane w symulacji. Obliczenia mogą być wykonywane zarówno dla materiałów liniowych, jak i nieliniowych. Ponadto istnieje możliwość użycia zewnętrznego obwodu elektrycznego (np. Maxwell Circuit Editor) lub schematu Simplorera. Moduł uwzględnia efekt zbliżenia, a także zjawisko naskórkowości.
  • stałe pole elektryczne (electrostatic) – statyczne pola elektryczne pochodzące od napięć stałych bądź ładunków elektrycznych. Solver wylicza potencjał elektryczny, a następnie natężenie pola elektrycznego, siły, momenty obrotowe i pojemności tylko dla materiałów liniowych.
  • prąd stały (DC conduction) – moduł obliczający napięcie, natężenie pola elektrycznego, gęstość prądu oraz prądy wzbudzenia. Istnieje możliwość dodania izolacji do symulacji i obliczeń (w 3D).
  • prąd przemienny (AC conduction; transient electric) – zmienne pola elektryczne wywołane zmiennym w czasie napięciem, rozkładami ładunków lub prądem wzbudzenia.


Maxwell Circuit Editor

ANSYS Maxwell pozwala na prowadzenie obliczeń równoległych oraz dodatkowo wzbogacony jest w narzędzie do projektowania obwodów Maxwell Circuit Editor z wbudowanymi bibliotekami elementów. Z kolei sprzężenie go z programem SIMPLORER, pozwala na znaczne skrócenie czasu obliczeń przy modelowaniu skomplikowanych układów elektromagnetycznych i elektrycznych. Ponadto jest w pełni zintegrowany ze środowiskiem Workbench. Wszystkie te elementy przekładają się na wymierne korzyści finansowe (jakość, cena produktu finalnego) oraz poprawiają konkurencyjność firmy.