Необходимо помнить, что тип конечных элементов, а также их количество во многом определяет точность и адекватность решения задачи.

Выбрав соответствующий тип конечного элемента, нажмите « OK ». В появившемся окне будет указан пронумерованный список типов конечных элементов выбранных для текущей задачи (появится запись о типе элемента №1 ). Далее пользователь может добавлять в задачу другие типы конечных элементов, однако, в рассматриваемом примере все области расчетной схемы линейного магнитоэлектрического привода будут заданы одним типом конечных элементов.

После выбора типа конечных элементов необходимо нажать на кнопку
« Options » и задать опции конечного элемента (рис. 4.8).  

 

Для элемента PLANE 13 задаются пять ключей К1, К2 и т.д. Необходимо поменять в выпадающем списке ключа К3 значение поля с « Plane Strain » (плоскопараллельная задача) на « Axisymmetric » (осесимметричная задача). Для остальных  ключей рекомендуется оставить заданные опции без изменений.

Нажмите клавишу « OK ».

Для каждого выбранного типа конечных элементов пользователь может определить свои опции.

После задания всех типов конечных элементов (в данном примере используется только один тип PLANE 13) в окне « Element Type » нажмите « CLOSE ».

4. Определение свойств используемых в двигателе материалов

Магнитоэлектрический двигатель конструктивно состоит из элементов, обладающих различными магнитными свойствами, в связи с этим целесообразно задать в модели библиотеку используемых материалов (стальной магнитопровод, постоянные магниты, медная катушка). Необходимо также задать магнитную проницаемость воздуха для исследования распределения магнитного поля в воздушном зазоре и окружающем двигатель пространстве.

Пользователю также предлагается возможность выбрать систему измерения, для этого можно выбрать пункт  

MM>Preprocessor>Material Props>Electromag Units.

В появившемся окне диалога Electromagnetic Units необходимо выбрать MKS - system (метр-килограмм-секунда. система СИ, рис. 4.9).

 

 

Также пользователь может выбрать пункт User-define и определить собственную систему измерения, однако на практике чаще пользуются международной системой измерения.

Теперь можно задать свойства материалов, необходимых для построения модели в единицах выбранной системы. Для задания свойств материалов необходимо перейти в окно « Define Material Model Behavior » (Окно определения поведения материалов модели, рис. 4.10) командой

MM>Preprocessor>Material Props>Material Models.

 

 

Добавление материалов в модель осуществляется в пункте меню

Material > New Model.

Учитывая, что в рассматриваемом примере направление тока в обмотках и направление намагниченности постоянных магнитов различное, целесообразно ввести в модель всего восемь материалов (рис. 4.1, б): воздушное пространство, стальной магнитопровод, четыре материала для моделирования обмоток и два материала для моделирования постоянных магнитов. Свойства материалов необходимо задать в соответствии с табл. 4.2.

Таблица 4.2

Свойства материалов модели

Номер мате-риала	Материал	Значение параметра
1	Воздушное пространство (воздух) Относительная магнитная проницаемость Electromagnetics>Relative Permeability >Constant	MURX=1
2	Стальной магнитопровод (электротехническая сталь) Относительная магнитная проницаемость Electromagnetics>Relative Permeability >Constant	MURX=2000
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
5	Медь – область обмотки намагничивания №3 Относительная магнитная проницаемость Electromagnetics>Relative Permeability >Constant	MURX=1
6	Медь – область обмотки намагничивания №4 Относительная магнитная проницаемость Electromagnetics>Relative Permeability >Constant	MURX=1
7	Постоянный магнит №1 Относительная магнитная проницаемость Electromagnetics>Relative Permeability >Constant Коэрцитивная сила магнита Electromagnetics >Coercive Force>Orthotropic	MURX=1   MGXX=
8	Постоянный магнит №2 Относительная магнитная проницаемость Electromagnetics>Relative Permeability >Constant Коэрцитивная сила магнита Electromagnetics >Coercive Force>Orthotropic	MURX=1   MGXX=-

 

Ввод свойств материала осуществляется в правой части окна « Define Material Model Behavior » . Для первого материала (воздушное пространство) необходимо выбрать пункт Electromagnetics > Relative Permeability > Constsnt. В открывшемся окне ввести значение относительной магнитной проницаемости  для воздушного пространства MURX=1 (рис. 4.11).

 

Выделенным шрифтом в табл. 4.2 приведена последовательность выбора свойств для каждого материала модели.

 На рис. 4.12. представлено окно всех введенных в модель материалов.

После ввода всех материалов закройте окно « Define Material Model Behavior », выбрав « Exit » из пункта меню « Material ».

 

 5.Построение геометрии модели

 

Конструкцию модели в программе ANSYS/Multiphysics можно задавать несколькими способами, используя различные геометрические элементы: линии, поверхности (окружность, прямоугльник и др.), объемные фигуры (сфера, цилиндр, призма). Каждый из элементов характеризуется набором свойств, определяющих его размер и расположение в окне графического вывода.

Геометрию данной модели удобно строить на основе прямоугольных областей, задаваемых двумя вершинами. При этом сложные области модели необходимо разбить на более мелкие прямоугольные области. На рис. 4.2, а, приведено разбиение модели на заданные прямоугольные области и указаны их геометрические параметры.

Построение прямоугольных областей (рис. 4.13) производится с помощью команды

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

 

 

 

Для задания воздушного пространства (первого прямоугольника) в полях задания координат необходимо указать:

                                    X1=0, X2=D0+D1+DVOZ;

                                    Y1=0, Y2=2*H6+H11.

Нажмите « Apply » (применить). В результате выполнения команды в окне графического вывода будет  построена прямоугольная область с координатами нижнего левого угла X1, Y1 и верхнего правого угла X2,Y2.

Далее необходимо вводить координаты следующего прямоугольника (табл. 4.3). Когда будут введены координаты последнего прямоугольника, нажмите « OK » вместо « Apply ».

 

                                                                                                     Таблица 4.3

Последовательность ввода геометрических параметров модели

№ п/п	X1	X2	Y1	Y2
1	0	D0+D1+DVOZ	0	2*H6+H11
2	0	D0	H6	H6+H11
3	D0	D0+D1	H6	H6+H2
4	D0	D0+D2	H6+H2	H6+H2+H10
5	D0	D0+D3	H6+H1	H6+H1+H4
6	D0	D0+D4	H6+H1+H4	H6+H1+H4+Hk
7	D0	D0+D3	H6+H1+H4+Hk	H6+H1+H4+Hk+H7
8	D0	D0+D3	H8	H8+H7
9	D0	D0+D4	H8+H7	H8+H7+Hk
10	D0	D0+D3	H8+H7+Hk	H8+H7+Hk+H4
11	D0	D0+D2	H9	H9+H10
12	D0	D0+D1	H9+H10	H9+H10+H2
13	D0+D4	D0+D4+Dk1	H6+H1+H4	H6+H1+H4+Hk
14	D0+D4	D0+D4+Dk1	H8+H7	H8+H7+Hk
15	D0+D2	D0+D1	H6+H2	H6+H2+H3
16	D6	D6+D5	H6+H2+H3	H6+H2+H3+Hk
17	D0+D2	D0+D1	H8-H7	H8
18	D0+D2	D0+D1	H8	H8+H7
19	D6	D6+D5	H8+H7	H8+H7+Hk
20	D0+D2	D0+D1	H8+H7+Hk	H8+H7+Hk+H3
21	D6-Dk2	D6	H6+H2+H3	H6+H2+H3+Hk
22	D6-Dk2	D6	H8+H7	H8+H7+Hk
23	D6- Dm-Delta2-Dk2	D6- Delta2-Dk2	H6+H2+H3+Sdvig	H6+H2+H3+Sdvig+Hm
24	D6- Dm-Delta2-Dk2	D6- Delta2-Dk2	H6+H2+H3+ Sdvig+Hm+H5	H6+H2+H3+Sdvig+Hm+H5+Hm

 

Прямоугольные области 13, 14, 21 и 22 определяют размеры обмоток, а 23 и 24 - постоянных магнитов.

воздух

внешний магнитопровод

внутренний магнитопровод

Другой формой построения геометрии модели является текстовый ввод в окне команд
ANSYS Input :

RECTNG, 0, D0, H6, H6+ H11

Удобным является применение текстового файла *.lgw с программой построения модели (созданный, например, в редакторе «Блокнот»). что позволяет легко изменять конфигурацию магнитной системы в программе ANSYS.

 После ввода последовательности указанной в табл. 4.3 геометрия осесимметричной модели линейного магниитоэлектричского двигателя будет иметь вид (рис. 4.14).

На следующем этапе необходимо убрать перекрытие прямоугольников, так как на первый прямоугольник наложились все остальные. 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) .

Учитывая, что по функциональному признаку  конструкция магнитной системы линейного магнитоэлектрического двигателя включает в себя внешний и внутренний магнитопроводы, отдельные прямоугольные области необходимо объединить в единое целое командой

MM>Preprocessor>Modeling>Operate>Add>Areas.

Для этого последовательно выделим с помощью клавиши мыши прямоугольные области, указанные на рис. 4.14. для внутреннего магнитопровода. В том случае, если при выделении была ошибочно выбрана область не принадлежащая внутреннему магнитопроводу, необходимо нажать правую кнопку мыши и снять выделение, затем повторно нажать правую клавишу мыши для возврата в режим выделения.  После того как будут выделены все области внутреннего магнитопровода в окне «ADD AREAS » необходимо нажать «OK ». Результатом будет объединение отдельных прямоугольных областей в одну область внутреннего магнитопровода. Таким же образом необходимо объединить области внешнего магнитопровода и воздушного пространства (рис. 4.15).

6. Присвоение атрибутов областям модели

Атрибутами области являются тип конечных элементов и свойства материалов. Для присвоения атрибутов необходимо открыть окно «Area
Attributes» командой

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

В окне графического выводавыделим с помощью клавиши мыши области, моделирующие воздушное пространство (на рис. 4.15 области отмечены 1) и нажмем « Apply » (рис. 4.16. а, в). Подобным образом необходимо задать атрибуты для областей моделирующих зоны внешнего и внутреннего магнитопроводов (2), обмоток (3, 4, 5 и 6) и постоянных магнитов (7, 8), указывая в окне « Area Attributes »  номера материалов в соответствии с рис. 4.15. После задания последней области в окне « Area Attributes » нажать кнопку « OK ».

Области модели линейного магнитоэлектрического привода в соответствии с магнитными свойствами могут быть выделены цветом (рис. 4.16, б)

UM>PlotCtrls>Numbering.

Появится меню «Plot Numbering Controls». В выпадающем списке поля Elem/Attrib numbering необходимо выбрать пункт Material numbers. Нажмите « OK ».

7. Разбиение области моделирования конечными объектами.

Определение плотности разбиения рабочих областей на конечные элементы является одной из ключевых задач, решение которой напрямую связано с точностью расчета.

 

стью полученных результатов. Программа ANSYS реализует  несколько

 

Уровень плотности конечных элементов меняется от «10 coarser – грубая сетка» до « 1 finer – хорошая сетка» (рис. 4. 17).

  Учитывая, что в наиболее узких областях модели (например, воздушный технологический зазор) количество конечных элементов должно удовлетворять требованию физической адекватности расчета, целесообразным является применение неравномерной сетки разбиения.

Уровень плотности разбиения задается командой

MM>Preprocessor>Meshing >Size Cntrls>Smart Size>Basic

По умолчанию выбрано «off » - отключение автоматического подбора параметров разбиения.  Для задания хорошего разбиения в поле « Size Level » необходимо выбрать пункт «1 ( fine )» и нажать « OK ».

 Разбиение области моделирования на конечные элементы выполняется командой

 MM>Preprocessor>Meshing >Mesh>Areas>Free.

В открывшемся окне « Mesh Areas »  необходимо нажать на кнопку « Pick All » (выбрать все области). В результате начнется процесс разбиения модели на конечные элементы (рис. 4.18).

 

 

 

 

8. Расчет электромагнитной силы развиваемой магнитоэлектрическим двигателем

Для того чтобы в процессе расчета было определено тяговое усилие, развиваемое магнитоэлектрическим двигателем, якорь необходимо выделить в качестве отдельного компонента и присвоить ему опцию (флаг) вычисления силы. Для начала необходимо выделить компоненты якоря, которые представлены в модели постоянными магнитами

UM > Select > Entities .

Откроется окно « Select Entities », в котором необходимо выбрать в первой строке « Areas », во второй строке « By Num / Pick » (по графическому указанию или по номеру, который можно задать в окне ввода команд ANSYS
Input). В следующем списке должно быть выбрано From Full – после выполнения операции будет выделена только указанная область. Нажмите « OK ». В открывшемся окне графического выбора необходимо выделить области постоянных магнитов (якорь) и нажмите « OK ». Теперь выделена только область постоянных магнитов. Для выделения конечных элементов в указанной области необходимо выбрать пункт меню

UM>Select>Everything Below>Selected Areas.

Необходимо задать компонент «YAKOR»

UM>Select>Comp/Assembly>Create Component.

В окне « Create Component » впервойстрокенеобходимо ввести название компонента – «YAKOR» и составляющие его конечные элементы –
«Elements» (рис. 4.19).

 

 

 

Нажмите кнопку « OK ».

Для расчета тягового усилия для созданного компонента нужно указать определенную опцию (флаг) командой

MM>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Magnetic>Flag>Comp. Force/Torq,

и в открывшемся окне Apply Magnetic Force Boundary Conditions выбрать компонент YAKOR и нажать «OK» (рис. 4.20).

В результате должно открыться окно с сообщением о том, что компоненте
YAKOR присвоен флаг вычисления тягового усилия.

Закройте окно с сообщением.

Для дальнейшей работы необходимо снова выбрать все элементы модели командой UM>Select>Everything.

9. Задание плотности тока по области обмоток

Общий алгоритм задания тока в обмотках магнитоэлектрического двигателя 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 обмотке
(рис. 4.15, материал 3), необходимо воспользоваться командой из меню утилит:

UM > Select > Entities .

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 (рис. 4.21, а), в которое необходимо ввести номер материала 3. Нажмите «OK».

 Задать плотность тока в обмотке можно командой:

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

В открывшемся окне Apply JS on Elems (рис. 4.21, б) нажмите кнопку Pick All. Откроется окно Apply JS on Elems (рис. 4.21, б), в поле Curr density value которого необходимо указать плотность тока: 1*100*0.75/(Dk1*Hk) (рис. 4.21, в), где 1 – ток в обмотке, А; 100 – число витков  обмотки; 0.75– коэффициент заполнения по меди; (Dk1*Hk) – площадь занятая первой обмоткой, мм². Нажмите « OK ».

в)

а)

Подобным образом задается плотность тока во внешней обмотке (материал 5), с учетом направления тока в обмотках 4 и 6 (рис.4.15) плотность тока  принимается с противоположным знаком:

- 1*100*0.75/(Dk1*Hk).

Для того чтобы выделить все области магнитной системы двигателя 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>DefineLoads>Apply>Magnetic>Boundary>

>Vector Poten> Flux Par’l >On Lines

Далее в графическом окне необходимо выделить клавишей мыши периметр модели, задав на границе модели нулевое значение векторного магнитного потенциала (рис. 4.22).

Команды из подменю MM > Solution >- 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 Loads можно задать граничные условия, условия окружающей среды и параметры состояния отдельных областей модели.

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

MM>Solution>Solve>Current LS.

При успешном запуске откроется окно с сообщением Solution is done.

10. Построение эквипотенциальных линий магнитного поля.

Для построения эквипотенциьных 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 значение равно 27). Нажмите « OK ».

Результаты расчета приведены на рис. 4.23.

 

 

 

Рис. 4.23. Эквипотенциальные линии магнитного поля

 

 

11.Построение распределения модуля вектора магнитной индукции по расчетной области магнитной системы.

При помощи команды меню

MM > General Postproc > Plot Results >- Contour Plot > Nodal Solu

 можно построить распределение по области моделирования характеризующих магнитное поле величин, представленных в виде модулей векторов, а также их проекций на оси координат. Например, можно построить рас­пределение модуля вектора магнитной индукции (BSUM). Для этого после выбора данных пунктов меню в появившемся окне диалога « Contour Nodal Solution Data » выбрать Magnetic Flux Density Vector Sum. Нажмите «ОК». В окне графического вывода будет построена картина распределения модуля вектора магнитной индукции (рис. 4.24).

Для построения распределения модуля вектора напряженности магнитного поля нужно в левом списке Contour Nodal Solution Data выбрать Magnetic Field Intensity Vector Sum .

 

 

Результаты расчета в программе Maxwell приведены на рис. 4.25

 

 

                 а)                                                б)

Рис. 4.25 Расчет векторного магнитного потенциала (а) и индукции в магнитной системе (б)