Этап 1. Подготовка модели ( Preprocessing )

1. Определение имени (Jobname) и заголовка задачи (Title)

Для определения имени модели необходимо выбрать в меню утилит пункт Change Jobname:

UM > File > Change Jobname.

На экране появится окно диалога с приглашением «Enter new jobname» (введите новое имя задачи) (рис. 3.3).

 

 

 

 

                        Рис. 3.3. Определение имени модели

Для приведенного примера имя модели было задано Open _ type (с англ. «Открытый тип»).

2. Задание параметров модели (Define parameters to be used geometry and load input)

Задать скалярные параметры модели можно при помощи пункта меню утилит UM > Parameters > Scalar Parameters (рис. 3.4).

 Параметры представляют собой именованные переменные, имя которых задает пользователь. Имя параметра может иметь достаточно большую длину, однако пробелы в названии параметра не допускаются, имя параметра обязательно должно начинаться с буквы латинского алфавита, т.е. имя параметра записывается в соответствии с правилом написания идентификаторов.

  

 

                  Рис. 3.4. Задание скалярных параметров модели

Применительно к рассматриваемому примеру исследования линейного магнитоэлектрического двигателя в поле ввода «Selection » окна Scalar Parameters последовательно заносятся параметры модели в соответствии с рис. 3.1, б (рис. 3.5).

D1=90e-3	D10=10e-3
D2=10e-3	D11=20e-3
D3=25e-3	DVOZ=15e-3
D4=20e-3	H1=25e-3
D5=36e-3	H2=20e-3
D6=18e-3	H3=45e-3
D7=5e-3	H4=5e-3
D8=10e-3	H5=3e-3
D9=25e-3	HVOZ=15e-3

                            Рис. 3.5. Геометрические параметры модели

После нажатия кнопки « Accept »  параметр переносится в поле «Items ».   Все введенные значения можно просмотреть, используя полосу вертикальной прокрутки. При нажатии на клавишу « Delete » удаляется выделенная курсором переменная.

Принятым способом упрощается задание координат прямоугольных областей расчетной модели, однако программа ANSYS позволяет также вводить численные значения координат непосредственно при построении геометрии модели (пункт 5, <Preprocessor>-Modeling-). Решение каким из способов задания параметров модели воспользоваться при решении той или иной задачи принимает пользователь.

3. Определение типов и свойств конечных элементов (КЭ)

Тип и свойства КЭ определяются последовательностью операций

MM>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete.

В открывшемся окне «Element Type»  необходимо нажать кнопку «Add» - и добавить в модель выбранный тип конечных элементов из списка рекомендуемых для данного класса задач (рис. 3.6).  При нажатии на кнопку Options  в поле ключа К3 указать опцию Plane Strain, т.е. тип решаемой задачи - плоскопараллельный (см. пример 4).

 

 

Рис. 3.6. Задание типа конечных элементов

 

4. Определение свойств используемых в модели материалов.

В состав магнитной системы в соответствии с рис. 3.1, б входят магнитопровод и насадка (относительная магнитная проницаемость стали ), обмотка (относительная магнитная проницаемость меди ). Кроме этого для исследование распределения магнитного поля в окружающем пространстве необходимо задать воздушную среду (относительная магнитная проницаемость воздуха ).

Для задания свойств материалов необходимо перейти в окно « Define Material Model Behavior » (Окно определения поведения материалов модели, рис. 3.7) командой

MM>Preprocessor>Material Props>Material Models.

Добавление материалов в модель осуществляется в пункте меню Material>New Model (см. пример 4).

Учитывая что, в рассматриваемом примере модель обмотки включает две области, в которых направление тока является различным (ток входит и выходит из плоскости модели) целесообразно для моделирования обмотки использовать две отдельных расчетных области.

 

 

             Рис. 3.7. Задание магнитных свойств материалов модели

 

Свойства материалов необходимо задать в соответствии с табл. 3.1.

5. Построение геометрии модели

Геометрию данной модели удобно строить на основе прямоугольных областей, задаваемых двумя вершинами, при этом сложные области модели необходимо разбить на более мелкие прямоугольные области. Насадку представляет собой усеченный конус, поэтому для ее построения необходимо использовать трапецию.

Таблица 3.1

Свойства материалов модели

Номер мате-риала	Материал	Значение параметра
1	Стальной магнитопровод (электротехническая сталь) Относительная магнитная проницаемость Electromagnetics>Relative Permeability >Constant	MURX=2000
2	Воздушное пространство (воздух) Относительная магнитная проницаемость Electromagnetics>Relative Permeability >Constant	MURX=1
3	Медь – область обмотки намагничивания №1 Относительная магнитная проницаемость Electromagnetics>Relative Permeability >Constant	MURX=1
4	Медь – область обмотки намагничивания №2 Относительная магнитная проницаемость Electromagnetics>Relative Permeability >Constant	MURX=1

Построение прямоугольных областей (рис. 3.8) производится с помощью команды

MM>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions.

 

                         Рис. 3.8. Построение геометрии модели

Для того чтобы построить насадку необходимо указать вершины трапеции командой (с помощью клавиши мыши)

MM>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>On Working Plane.

Чтобы объединить точки в расчетную область необходимо воспользоваться командой

MM>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitary>Through KPs

Далее необходимо выбрать выставленные на рабочей области точки таким образом, чтобы получилась трапеция.

Таблица 3.2

Последовательность ввода геометрических параметров модели

№ п/п	X1	X2	Y1	Y2
1	0	D1	0	H1
2	D2	D2+D3	H4	H1
3	D2+D3+D4	D1-D2	H4	H1
4	D5	D5+D6	0	H5
5	D2+D3+D7	D2+D3+D7+D8	H5	H1
6	-Dvoz	D1+Dvoz	-Hvoz	H1+H3+Hvoz
Насадка задается по точкам
	1ая точка	D9	H1
	2ая точка	D9+D10	H1+H3
	3ая точка	D9+D10+D11	H1+H3
	4ая точка	D9+D10+D11+D10	H1

Результатом выполнения указанной выше последовательности (табл. 3.2) команд является построенная геометрия модели (рис. 3.9).

 

		A2

 

 

   Рис. 3.9. Магнитная система открытого типа в программе ANSYS

На следующем этапе необходимо убрать перекрытие прямоугольников; данная операция выполняется командой:

MM>Preprocessor>Modeling>Operate>Overlap>Areas. 

В открывшемся окне Overlap Areas необходимо нажать на кнопку « Pick All » (убрать перекрытия всех областей) .

Необходимо выбрать отдельные области и объединить их по свойствам материалов (сталь, медь и воздух) командой (расшифровать), для чего воспользуемся командой

MM>Preprocessor>Modeling>Operate>Add>Areas

и последовательно выбираем однородные области левой клавишей мыши.

6. Присвоение атрибутов областям модели

Для определения атрибутов модели используется команда

MM>Preprocessor>Meshing>Mesh Attributes>Picked Areas.

В окне графического вывода необходимо выделить область (кликнуть клавишей мыши), моделирующую сталь (на рис. 3.10 область отмечена А1) и нажать « Apply ». Подобным образом зададим атрибуты для областей моделирующих зоны воздушного пространства (А2) и обмоток (А3, А4), указывая в окне « Area Attributes »  номера материалов в соответствии с рис. 3.10. После задания последней области в окне « Area Attributes » нажать кнопку « OK ».

Области модели в соответствии с магнитными свойствами могут быть выделены цветом (рис. 3.10)

UM > PlotCtrls > Numbering .

В открывшемся окне «Plot Numbering Controls » всписке поля Elem / Attrib numbering необходимо выбрать пункт Material numbers. Нажмите « OK ».

7. Разбивка на конечные элементы.

Разбивка модели на конечные элементы выполняется командой

MM>Preprocessor>Meshing>Mesh> Areas>

Free.

В открывшемся окне необходимо нажать на кнопку « Pick All ». Результат разбивки модели на конечные элементы приведен на рис. 3.11.

Определение плотности разбиения рабочих областей на конечные элементы является одной из ключевых задач, решение которой напрямую связано с точностью полученных результатов. Программа ANSYS реализует несколько уровней детализации конечных элементов от «10 coarser – грубая сетка» до « 1 finer – хорошая сетка» (см. пример 4).

Рис. 3.11. Разбиение расчетной

области на конечные элементы

8. Задание плотности тока по области обмоток

Общий алгоритм задания тока в обмотке модели сводится к последовательному указанию для каждой области плотности тока с указанием действующего значения тока, направления тока вдоль оси z, площади занимаемой обмоткой и коэффициента заполнения по меди.

 

 

Для выбора конечных элементов принадлежащих первой области обмотки
(рис. 3.12, материал 3) необходимо воспользоваться командой из меню утилит:

 UM > Select > Entities . В появившемся меню Select Entities выбираем:

в первой строке необходимо выбрать « Elements » (Элементы),

во второй « By Attributes » (по атрибутам).

При этом в окне « Select Entities » появится дополнительное поле для ввода номера материала, в которое необходимо ввести номер материала 3. Нажмите «OK».

Задать плотность тока в обмотке можно командой:

MM>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Magnetic>Excitation>Curr Den­sity>On Elements.

В открывшемся окне Apply JS on Elems (рис. 3.12) нажмите кнопку Pick All. Откроется окно Apply JS on Elems (рис. 3.12), в поле Curr density value которого необходимо указать плотность тока: 2225/(D3*H2), где ампер-витки  Iw =2225 А; (D3*H2) – площадь занятая первой обмоткой, мм². Нажмите « Ok ».

Подобным образом задается плотность тока во второй области обмотки (материал 4), но в этом случае плотность тока принимается с противоположным знаком: - 2225/(D3*H2).

Для того чтобы снова выделить все области магнитной системы необходимо воспользоваться командой

UM > Select > Everything .

9. Задание граничных условий

На границе модели (воздушное пространство) задается условие параллельности линий магнитного потока. Для этого необходимо воспользоваться командой

MM>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Magnetic>Boundary> Vector Poten> Flux Par’l >>On Lines

Далее в графическом окне необходимо выделить с помощью клавиши мыши периметр модели и задать на границе модели нулевое значение векторного магнитного потенциала А (рис. 3.13).

 

 

 

 В результате по периметру модели появятся обозначения векторного магнитного потенциала «А». Команда:

MM>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Magnetic>Boundary> Vector Poten>

позволяют также задать конкретные значения векторного магнитного потенциала в узлах, на линиях, в областях модели.

По умолчанию на внешней границе области моделирования действует условие перпендикулярности линий магнитного потока линиям границы.

10. Расчет модели ( Solutuion ).

Параметры расчета модели можно настроить в пункте Solution главного меню.

В списке Analysis Type в пункте меню New Analysis можно настроить тип анализа:

· Static (статический);

· Harmonic (гармонический);

· Transient (переходный).

В списке Solve находятся команды, позволяющие начать расчет. Для запуска расчета текущей задачи необходимо выбрать пункт меню

MM > Solve > Current LS.

При успешном запуске откроется окно с сообщением Solution is done.

11. Просмотр результатов расчета

 

Для построения эквипотенциальных линий магнитного поля можно воспользоваться командой

MM>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>2D Flux Lines.

Окно настройки графического вывода позволяет изменять количество эквипотенциальных линий магнитного поля по параметру Number of contour lines (по умолчанию количество линий равно 27). Нажмите «OK».

Результаты расчета приведены на рис. 3.14.

 

Распределение модуля вектора магнитной индукции и модуля вектора напряженности магнитного поля внутри магнитной системы  можно получить командой MM > General Postproc > Plot Results >- Contour Plot > Nodal Solu

выбрав в открывшемся окне соответственно BSUM или HSUM.

 

 

 

Расчет открытой магнитной системы в программе Elcut и Maxwell 15.0 приведены на рис. 3.16-3.17.

 

Рис. 3.16 Силовые линии и составляющие индукции (B_r , B_z) магнитного поля исследуемой модели без магнитопроводящей насадки (а) и с магнитопроводящей насадкой (б)

 

 

                              а)                                                          б)  

Рис. 3.17 Расчет векторного магнитного потенциала (а) и индукции в магнитной системе (б)

 

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНОГО
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ (ЛМД)

 

В магнитоэлектрических устройствах постоянные магниты используются для возбуждения магнитного потока, который распространяется в пространстве устройства или модели по замкнутому пути. Такие замкнутые пути образуются ферромагнитными и неферромагнитными элементами конструкции и называются магнитными цепями. Магнитная цепь содержит различные зазоры. Подвижная часть магнитоэлектрического устройства является якорем и может состоять в зависимости от конструкции устройства из одной или нескольких обмоток, обтекаемых током, или одного или нескольких постоянных магнитов, соединенных между собой частью стального сердечника c явно выраженными полюсными наконечниками. Воздушный зазор между якорем и неподвижным стальным сердечником называется технологическим (рабочим), остальные зазоры на пути магнитного потока являются паразитными. Магнитный поток, возбуждаемый фиктивной намагничивающей силой постоянного магнита, замыкающийся через технологический зазор и сцепляющийся с витками обмотки, называется основным, а все остальные потоки, замыкающиеся по путям, проходящим вне зоны обмотки с током – потоками рассеяния. Магнитный поток, возбуждаемый намагничивающей силой обмотки, проходящий по тому же пути, что основной магнитный поток, является потоком реакции. Этот поток искажает результирующее магнитное поле в рабочем зазоре, что создает дополнительные трудности в определении тягового усилия, противо-ЭДС и индуктивности обмотки магнитоэлектрического устройства, а также при решении задачи оптимизации его магнитной системы по выбранному критерию оптимальности. Конфигурация магнитных цепей магнитоэлектрических, также как и электромагнитных устройств разнообразна и зависит от их назначения. Существуют два основных типа магнитных систем: разветвленные и неразветвленные (последовательные). В неразветвленных магнитных цепях основной магнитный поток проходит последовательно через все участки. В разветвленной цепи основной магнитный поток разделяется на отдельные параллельные потоки. Магнитные цепи магнитоэлектрических устройств могут при этом формироваться с использованием постоянных магнитов, намагниченных как в осевом, так и в радиальном направлении.

Магнитная система линейного магнитоэлектрического двигателя
(рис.4.1, а) содержит: неподвижный сплошной внутренний 5 и внешний 6 магнитопровод, две пары медных безкаркасных обмоток 3, и подвижный якорь, изготовленный из сегментных постоянных магнитов 1 на основе соединений редко земельных материалов (РЗМ), намагниченных в радиальном направлении. Якорь расположен на направляющих рейках 2, которые помещены на подшипники скольжения 4. Системы постоянных магнитов разнополярны и отделены от магнитопровода и обмоток воздушными зазорами. Магнитная система линейного магнитоэлектирческого двигателя обладает осевой симметрией, что позволяет выделить в качестве области моделирования только  часть магнитной системы относительно оси симметрии (рис. 4.1, б) .  

 

                           

 

 

Принцип работы линейного магнитоэлектрического привода основан на взаимодействии магнитных полей обмоток (3) и постоянных магнитов (1) якоря, результатом которого является возвратно-поступательное перемещение якоря вдоль направляющих реек. Закон движения якоря формируется формой питающего тока обмоток двигателя.

Для исследования магнитного поля базовой конструкции ЛМД с помощью программы ANSYS/Multiphysics была построена расчетная схема магнитной системы двигателя (рис. 4.2, а), где использовались следующие обозначения для подобластей модели: A1-A8, характеризующие магнитные свойства материалов различных областей модели: А1 – воздушная среда (относительная магнитная проницаемость ; А2 – литая сталь ; А3, А4, А5, А6 – соответственно, внутренние и внешние обмотки, изготовленные медным проводом ; А7, А8 – постоянные магниты, изготовленные из соединений на основе РЗМ (марка сплава Нм30Ди6Р имеет ).

 

 

В качестве исходных данных для расчета магнитного поля использовались также геометрические размеры магнитной системы базовой конструкции ЛМД (рис.3.2, б). В областях модели, занятых током, расчетная плотность тока составляет . Коэффициент заполнения по меди равен 0.4.

1. Задание класса решаемой задачи ( Preferences )

Задание класса позволяет отфильтровать главное меню и окна диалога так, чтобы в них присутствовали только пункты присущие только для этого класса задач (механические, термические, гидравлические, электромагнитные, электрические).

Выберите пункт меню MM > Preferences .

На экране появится окно диалога Preferences for GUI Filtering (настройки для фильтрации графического интерфейса). В верхней части окна выбирается тип анализа, а в нижней – указывается фильтрация свойств метода решения задачи. Для всех классов задач по умолчанию используется h - method . Указав  p - method Struct пользователь может выбрать только структурный анализ (Structural в верхней части окна), а при указании p - method Electr , доступен только класс задач, связанный с пьезоэлектрическими процессами.

Для электромагнитного анализа нужно отметить галочкой в разделе Electromagnetic пункты Magnetic - Nodal и Magnetic - Edge. и отфильтровать возможности метода, оставив включенным пункт h - method (рис 4.3). Нажмите « O К».

   

 

Рис. 4.3. Окно настройки для фильтрации графического интерфейса

 Этап 1. Подготовка модели ( Preprocessing )

1. Определение имени (Jobname) и заголовка задачи (Title)

Для определения имени модели необходимо выбрать в меню утилит пункт Change Jobname:

UM > File > Change Jobname.

На экране появится окно диалога с приглашением «Enter new jobname» (введите новое имя задачи) (рис. 4.4).

 

В поле ввода необходимо ввести имя модели, например «Dvigatel». Это имя будет использоваться в качестве имени базы данных задачи, а также как имя других файлов, связанных с решаемой задачей.

В процессе работы можно использовать стандартные команды для управления файлами (открыть файл, сохранить файл, сохранить файл как,…, создать новый и изменить заголовок).

Для открытия ранее созданного файла с пользовательской задачей можно воспользоваться пунктом меню утилит « Resume From » UM > File > Resume From.

Данный пункт открывает диалоговое окно « Resume Database ». в котором необходимо указать путь к файлу базы данных модели с расширением *. db *. Сохранить содержимое базы данных в файле с именем « jobname . db » можно воспользовавшись пунктом меню утилит:

UM>File>Save as Jobname.db.

 Для сохранения базы данных в файле с заданным именем необходимо выбрать в меню утилит пункт UM > File > Save as . В этом случае откроется окно диалога «Save Database», в котором необходимо указать путь к сохраняемому файлу.  При этом задание имени файла не изменит текущего имени задачи. Это значит, что при сохранении базы данных задачи по команде Save as Jobname . db в качестве имени файла базы данных будет использовано прежнее имя задачи, заданное по команде UM > File > Change Jobname.

Одновременно допускается работать только с одной задачей.

Для очистки данных и старта новой задачи можно выбрать пункт из меню утилит UM > File > Clear & Start New. В этом случае открывается окно «Clear Database and Start New», в котором предлагается после очистки базы данных загрузить стартовый файл подготовки новой модели ( Read file ). 

Кроме задания имени рабочего файла задачи можно определить заголовок, который будет печататься в окне графического вывода во время работы с базой данных задачи. Для этого можно выбрать в меню утилит пункт UM > File > Change Title.

 При выборе данной команды появляется окно диалога с предложением ввести заголовок. Введите, например, « Dvigatel ». Нажмите «ОК».

Помимо указанных способов открытия и сохранения файлов модели программа ANSYS позволяет выполнить или сохранить последовательность команд, которые вводит пользователь на всех этапах исследования. Данная последовательность команд сохраняется в файле с расширением *. lgw при выборе пункта меню утилит  UM > File > Write DB Log File.

Выполнить сохраненную в *. lgw файле последовательность команд можно выполнив пункт меню утилит UM > File > Read Input From.

Данный способ очень удобен, так как *. lgw файл является текстовым и может быть отредактирован любым текстовым редактором, например, Блокнотом, тем самым достигается возможность изменять любые параметры модели на любом этапе исследования. К примеру, изменив значение некоторых скалярных параметров связанных с геометрией модели в текстовом файле *. lgw, можно воспользоваться командой Read Input From,которая применит все изменения и автоматически перестроит модель.

Внимание! В файл *. lgw командой Write DB Log File запишется весь пользовательский ввод. т.е., если пользователь ввел некоторые команды с ошибками, а затем их исправил и сохранил *. lgw файл, то в нем содержаться и первоначально введенные ошибочные команды. Это  не только увеличит время загрузки *. lgw файла командой Read Input From , но и может привести к ошибкам выполнения.

2. Задание параметров модели (Define parameters to be used geometry and load input)

Данный пункт не является обязательным, однако является чрезвычайно удобным в случае задания сложной геометрии модели, а также в тех случаях, когда требуется произвести параметрические расчеты, например, для нескольких положений якоря относительно неподвижной системы катушек. Параметрическое задание модели является одним из способов получения анимации, например, изменения картины магнитного поля при движении якоря либо, если планируется производить оптимизацию разработки, изменяя один из параметров модели.

Задать скалярные параметры модели можно при помощи  пункта меню утилит UM > Parameters > Scalar Parameters (рис.4.5). Параметры представляют собой именованные переменные, имя которых задает пользователь. Имя параметра может иметь достаточно большую длину, однако пробелы в названии параметра не допускаются, имя параметра должно обязательно начинаться с буквы латинского алфавита, т.е. имя параметра записывается в соответствии с правилами написания идентификаторов. Не допускается совпадение имени параметра с названием функции или макроса.

 

 

 

Ввод значения параметра осуществляется в поле ввода « Selection » в формате: <имя параметра>=<выражение>.

 Выражение может включать в себя: числовые константы, имена ранее введенных параметров, знаки арифметических операций «+, - ,* ,/», «**» – возведение в степень, знаки сравнения «<» и «>», а также стандартные функции «SIN(X)», «COS(X)». Допускается ввод формул, например. «y=5*x+b». Ввод параметра должен подтверждаться нажатием кнопки « Accept » (подтвердить). При этом происходит  вычисление значения выражения, которое и заносится в базу данных задачи, само же выражение фиксируется лишь в log -файле модели. Поэтому при изменении параметра, входящего в математическое выражение для другого параметра, значение последнего не изменяется.

Применительно к рассматриваемому примеру исследования линейного магнитоэлектрического двигателя в поле ввода «Selection » окна Scalar Parameters последовательно заносятся все параметры из рис. 4.2, б (табл. 4.1).

 

Таблица 4.1

Геометрические параметры модели, м

D0=0.0050	=0.0010	H2=0.0110	H8=H6+H1+H4+Hk+H7
D1=0.0591	=0.0006	H3=0.0200	H9=H8+H7+Hk+H4
D2=0.0511	Dk1=0.0030	H4=0.0150	H10=0.0050
D3=0.0230	Dk2=0.0025	H5=0.0380	H11=0.209
D4=0.0310	D6=D0+D4+Dk1+Delta1 +Dm+Delta2+Dk2	H6=0.0150	Sdvig=0.0113
D5=0.0150	Dvoz=0.0150	H7=0.0075	Hm=0.0400
Dm=0.0060	H1=0.0160	Hk=0.066

 

После нажатия кнопки « Accept »  параметр переносится в поле «Items ».   Все введенные значения можно просмотреть, используя полосу вертикальной прокрутки. При нажатии на клавишу « Delete » удаляется выделенная курсором переменная.

Принятый способ упрощает задание координат прямоугольных областей расчетной модели, однако программа ANSYS позволяет также вводить числовые значения координат непосредственно при построении геометрии модели (пункт 5, <Preprocessor>-Modeling-). Решение каким из способов задания параметров модели воспользоваться при анализе той или иной задачи принимает пользователь.

3. Определение типов и свойств конечных элементов (КЭ)

Для определения типов и свойств КЭ последовательность операций

MM>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete.

В открывшемся окне « Element Type »  необходимо нажать кнопку «Add» - и добавить в модель выбранный тип конечных элементов из списка рекомендуемых для данного класса задач (рис. 4.6).

Из указанного списка можно выбрать плоские элементы типа
« Vect Quad 4 nod 13» ( PLANE 13) или « Vect Quad 8 nod 53» ( PLANE 53). Элемент PLANE 13 представляет собой четырехугольник с четырьмя узлами, а PLANE 53 – это четырехугольная фигура с непрямыми сторонами и восемью углами (рис.4.7).