Пример выполнения магнитного анализа электромагнитного привода в
Ansys 6.1.

(Перевод английской версии примера, находящейся в help-файле программы.)
Содержание:
1. Описание проблемы.
2. Построение геометрии
3. Задание материалов
4. Генерирование сетки элементов
5. Приложение нагрузок
6. Получение решения
7. Просмотр результатов
 
1. Описание проблемы.
1.1 Задание.

1.2. Принятые допущения.

1.3. Обзор шагов.
1.1. Задание.



Электромагнитный привод анализируется как осесимметричная двухмерная (2-D) модель. Для заданного тока в обмотке вычисляется сила, возникающая на якоре.



Мера длинны - сантиметры. Якорь - подвижный компонент привода. Магнитопровод - неподвижный компонент привода, составляющий магнитную цепь вокруг обмотки. Переплетенная обмотка состоит из 650 витков, при токе 1А (1 А/виток); питается от внешнего источника постоянного тока. Воздушный зазор – это тонкая прямоугольная область воздуха между якорем и полюсными наконечниками магнитопровода.


1.2. Принятые допущения.
Магнитный поток, создаваемый током в обмотке, подразумевается столь малым, что насыщение магнитопровода не происходит. Утечки магнитного поток из железа магнитопровода за периметр модели, подразумеваются незначительными. Данные допущения упрощают анализ и уменьшают размер модели. Для более точного анализа в модели может быть создана с дополнительной областью воздуха вокруг железа. Величина её должна быть больше максимальной площади модели.

Воздушный зазор моделируется отдельно, таким образом, чтобы имелась возможность использовать квадратные элементы сетки в нем. Это вызвано значительно меньшими размерами воздушного зазора сравнительно со всеми остальными размерами всех частей модели. Размер  элементов сетки (высота равна ширине) нами будут выбраны больше величины высоты воздушного зазора и т.к. сетка элементов модели будет создаваться программой автоматически, то в случае не указания пользователем особых размеров сетки в воздушном зазоре элементы сетки в нем не будут иметь квадратную форму. В виртуальном воздушном зазоре модели в процессе решения будет создаваться виртуальная сила, притягивающая якорь. А для корректного её расчета желательно использование в воздушном зазоре элементов сетки квадратного вида.

Далее элементы сетки будут именоваться просто “элементы”.

Для данного типа анализа требуется, чтобы ток в обмотке был задан  в виде плотности тока (ток на площадь, приходящуюся на обмотку).

Тот факт, что мы принимаем магнитный поток не выходящим за области модели, подразумевает, что поток будет параллелен внешним границам модели. Это допущение моделируется “потокопараллельным” ("flux parallel") граничным условием. Это граничное условие может использоваться в моделях, содержащих замкнутый магнитопровод.

Сила рассчитывается на каждый элемент якоря и затем суммируется. Она рассчитывается двумя методами, и оба результата можно потом сравнить (значения близки).




Обзор шагов.
 Построение геометрии
1. Создание первого прямоугольника.

2. Создание оставшихся пяти прямоугольников.

3. Выполнение логической операции перекрытия для них.



Задание материалов и определение их свойств.
4. Задание предпочтений программы.

5. Задание материалов и определение их свойств.



Генерирование сетки конечных элементов (далее просто “сетки”).



6. Определение типов элементов и их параметров.

7. Приписывание типа материала элементам модели.

8. Задание размеров элементов сетки в воздушном зазоре.

9. Генерирование сетки с использованием инструмента MeshTool.

10.  Масштабирование модели в метры.



Приложение нагрузок.
11. Определение якоря как компонента.

12. Приложение силовых граничных условий к якорю.

13. Задание плотности тока.

14. Задание потокопараллельного граничного условия.
Получение решения.

потокопараллельного

15. Решение.
Просмотр результатов.
16. Отображение линий магнитного потока.

17. Просмотр рассчитанных сил.

18. Отображение плотности магнитного потока в векторном виде.

19. Отображение областей насыщения магнитопровода.

20. Выход из программы.


2. Построение геометрии
Шаг 1. Создание первого прямоугольника.
Геометрия модели создается посредством логической операции перекрытия для шести прямоугольников. Создайте каждый прямоугольник заданием координат его противоположных углов (вместо указания мышью точек на рабочей плоскости).
1. Main Menu > Preprocessor > Modeling> Create> Areas> Rectangle> By Dimensions
2. Введите следующее:

X1 = 0

X2 = 2.75

Y1 = 0

Y2 = 0.75



(Примечание: Нажимайте клавишу Tab для перемещения между полями данных.)
3. OK.
4. Включите нумерацию областей:  Utility Menu > Plot Ctrls > Numbering

5. Поставьте флажок у Area numbers.
6. Нажмите OK.




Шаг 2. Создание оставшихся пяти прямоугольников.



Далее создайте прямоугольники 2,3,4,5 и 6.
1. Main Menu > Preprocessor > Modeling> Create > Areas> Rectangle > By Dimensions
2. Введите следующее:
X1 = 0

X2 = 2.75

Y1 = .75

Y2 = 3.5
3. Нажмите Apply.
4. Введите следующее:
X1 = .75

X2 = 2.25

Y1 = 0

Y2 = 4.5
5. Нажмите Apply.



6. Введите следующее:
X1 = 1

X2 = 2

Y1 = 1

Y2 = 3
7. Нажмите Apply.
8. Введите следующее:
X1 = 0

X2 = 2.75

Y1 = 0

Y2 = 3.75
9. Нажмите Apply.
10. Введите следующее:
X1 = 0

X2 = 2.75

Y1 = 0

Y2 = 4.5
11. Нажмите OK.


Шаг 3. Выполнение логической операции перекрытия для них.
Созданные нами прямоугольные области, накладываются друг на друга. Эта логическая операция создаст новые области в модели во всех местах пересечения этих шести прямоугольных областей.
1. Main Menu > Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Overlap > Areas



2. Выберете Pick All

(Выделит все).
3. Нажмите на панели кнопку SAVE_
DB.
3. Задание материалов и определение их свойств
Шаг 4. Задание предпочтений программы.
Программа Ansys имеет множество инструментов для различных видов анализа моделей (механические, термические, электромагнитные и т.д.). Задание предпочтений программы – это фильтрация этих инструментов в соответствии с выбранным видом анализа. После выполнения этой процедуры для работы остаются только необходимые инструменты.
1. Main Menu > Preferences
2. Отметьте: Electromagnetic:

Magnetic-Nodal

(элементы определяются узлами сетки).
3. OK.
Шаг 5. Задание материалов и определение их свойств.
Далее зададим материалы и их магнитные свойства: воздуха, железа магнитопровода, обмотки и якоря. Для упрощения задачи свойства всех материалов приняты линейными. Обычно, параметр магнитной проницаемости железа задается в виде нелинейной кривой B-H. Материал 1 будет использоваться для задания элементов воздуха, материал 2 будет использоваться для элементов железа магнитопровода, материал 3 - для элементов обмотки, материал 4 - для элементов якоря.


1. Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models
2. Зададим относительную магнитную проницаемость воздуха: двойной щелчок на

Electromagnetics, Relative Permeability, Constant.
3. Ввести 1 для MURX.
4. OK.
5. Edit > Copy
6. OK для копирования Material Model Number 1 в Material Model Number 2.




7. Двойной щелчок по Material Model Number 2, затем по Permeability (Constant).
8. Изменить значение MURX с 1 на 1000.
9. OK.


10. Edit > Copy
11. Выбрать 1 для from Material Number.
12. Ввести 3 для to Material Number.
13. OK.


14. Edit > Copy
15. Выбрать 2 для from Material Number.
16. Ввести 4 для to Material Number.
17. OK.


18. Двойной щелчек по Material Model Number 4, затем по Permeability (Constant).
19. Изменить значение MURX с 1000 на 2000.                  20. OK.                                                                               


21. Material > Exit


4. Генерирование сетки конечных элементов.
Шаг 6. Определение типов элементов и их параметров.
На этой стадии вы определите типы элементов, которые будут использоваться в модели, и зададите соответствующие этим типам параметры.

Обычно используются элементы более высокого порядка типа PLANE53 но мы будем использовать элементы более низкого порядка PLANE13 для уменьшения обьема памяти, занимаемом моделью.
1. Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete
2. Add.
3. Выбрать Magnetic Vector.
4. Выбрать Vect Quad 4nod13 (PLANE13).
5. OK.

6. Options.
7. Измените Element behavior с plain strain на Axisymmetric. (Изменить поведение элементов с плосконапряженного на осесимметричное).
8. OK.       
9. Close.





Шаг 7. Приписывание типа материала элементам модели.
Теперь припишим свой тип материала элементам воздуха, железа, обмотки и якоря.
1. Main Menu> Preprocessor> Meshing> MeshTool
2. Выбрать Areas для Element Attributes, нажать Set.
3. Выделить мышью четыре области воздушного зазора, A13, A14, A17 и A18 (щелкайте на номер области).

4. OK (в меню выделения).
5. Выбрать 1 для Material number.
6. Apply.


7. Выделить мышью пять областей железа магнитопровода, A7, A8, A9, A11, A12.



8. OK (в меню выделения).
9. Выбрать 2 для Material number.
10. Apply.
11. Выделить мышью область обмотки A4.
12. OK (в меню выделения).
13. Выбрать 3 для Material number.
14. Apply.
15. Выделить мышью области якоря

A10, A15, A16.
16. OK (в меню выделения).
17. Выбрать 4 для Material number.
18. OK.
19. Нажать SAVE_DB на панели инструментов.
Шаг 8. Задание размеров элементов сетки в воздушном зазоре.
Вызовите MeshTool
1. Выбрать Lines, Set для Size Controls.
2. Выделить мышью четыре вертикальные линии в воздушном зазоре.

3. OK (в меню выделения).
4. Введите 2 для No. of element divisions.
5. OK.
Шаг 9. Генерирование сетки с использованием инструмента MeshTool.



1. Нажать кнопку Set рядом с Global в Size Control

инструмента MeshTool.
2. Ввести 0.25 для Element edge length

(длинна ребра  элемента).
3. OK.

4. Выбрать Areas в Mesh инструмента MeshTool.
5. Щелкнуть по кнопке Mesh.
6. Pick All (в меню выделения).
7. Close в MeshTool.
8. Utility Menu > PlotCtrls > Numbering
9. Выбрать Material numbers.

(Пронумеровать по атрибуту и в качестве атрибута выбрать - номер материала).
10. OK.


Шаг 10.  Масштабирование модели в метры.
В этом примере используется система единиц СИ. Все значения размеров заносимых нами в процессе построения модели были в сантиметрах. Поэтому нам необходимо масштабировать модель в метры.
1.  Main Menu> Preprocesso > Modeling> Operate> Scale> Areas

2. Pick All.

3. Ввести 0.01 для RX и RY. (Масштаб по осям.)

4. Выбрать для Existing areas  значение Moved. (Существующие области заменятся новыми, масштабированными.) (Обратите внимание, чтобы параметр выше имел значение “Areas and mesh” – т.е. масштабированию подвергнутся и имеющиеся области и построенная для них сетка конечных элементов).

5. OK.




6. Нажать SAVE_DB на панели инструментов (Сохранить базу данных).
Приложение нагрузок.
Шаг 11. Определение якоря как компонента.
Якорь можно легко определить как компонент, выбрав его элементы. Это нужно для того, чтобы далее приложить к нему нагрузки.
1. Utility Menu > Select > Entities (Выбрать объекты.)
2. Выбрать Elements.
3. Выбрать By Attributes.
4. Ввести 4 для Min, Max, Inc.
(Выбрать элементы по атрибуту – номеру материала - № 4 (Выделен пункт Material num.))
5. OK.



6. Utility Menu > Plot > Elements
На экране появятся только элементы якоря:






7. Utility Menu > Select > Comp/Assembly > Create Component (Создать компонент.)
8. Ввести ARM для Component name.
9. Выбрать Elements.
10. OK.
Шаг 12. Прложение силовых граничных условий к якорю.
1. Main Menu> Preprocessor > Loads > Define Loads> Apply > Magnetic> Flag> Comp. Force/Torq



2. Выбрать ARM.
3. OK.
4. Просмотрите информацию затем закройте её:
5. File > Close (окно),
6. Utility Menu > Select > Everything
7. Utility Menu > Plot > Elements









Шаг 13. Задание плотности тока.
Плотность тока определяется как число витков обмотки (650), умноженное на ток     (1 А) и разделенное на площадь, приходящуюся на обмотку (2 см²), т.е. (650)(1)/2, или 325. Для перевода в систему СИ это значение должно быть разделено на  0.01**2  (0,0001).
1.

Utility Menu > Plot > Areas




2. Main Menu> Preprocessor> Loads > Define Loads> Apply > Magnetic> Excitation > Curr Density> On Areas
3. Выделить мышью область обмотки (щелкайте на номер области).



4. OK (в меню выделения).
5. Ввести 325/.01**2  для Current density value.
6. OK.
Закройте все информационные окна, если они появятся.
Шаг 14. Задание потокопарраллельного граничного условия.
Задав это условие мы сообщим программе, что магнитный поток не выходит за периметр модели. Чтобы смоделировать среду, в которой находится моделируемый электромагнитный объект, достаточно создать вокруг него области этой среды и задать для них соответствующий материал со свойственной этой среде магнитной проницаемостью.
1. Utility Menu > Plot > Lines
2. Main Menu> Preprocessor> Loads > Define Loads> Apply > Magnetic-> Boundary > Vector Poten> Flux Par'l> On Lines
3. Выделите все линии по периметру модели (14 линий).




5. OK (в меню выделения).
6. Нажать SAVE_DB на панели инструментов (Сохранить базу данных).


Получение решения.
Шаг 15. Решение.
1. Main Menu> Solution> Solve> Electromagnet> Static Analysis> Opt & Solve
2. Начмите OK для начала решения.




3. Закройте информационное окно после того, как выполнится решение.
Просмотр результатов

 

Шаг 16. Отображение линий магнитного потока.
1. Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot> 2D Flux Lines
2. OK.



Ваши результаты могут слегка отличаться от приведенных.


Шаг 17. Просмотр расчитанных сил.
1. Main Menu > General Postproc > Elec & Mag Calc > Component Based> Force



2. Выбрать ARM.
3. OK.
4. Просмотрите информацию, затем выберите:
 File >
Close чтобы закрыть окно

 

или сохраните её в файл File >
Save
as
для последующего просмотра в Блокноте.
Шаг 18. Отображение плотности магнитного потока в векторном виде.
1. Main Menu > General Postproc > Plot Results > Vector Plot> Predefined
2. Выбрать Flux & gradient.
3. Выбрать Mag flux dens B.
4. OK.




Шаг 19. Отображение областей насыщения магнитопровода.
1. Main Menu > General Postprocessor > Plot Results > Contour Plot> Nodal Solution
2. Выбрать Flux & gradient.
3. Выбрать BSUM.
4. OK.

 Ansys позволяет создать 3-D вид из осесимметричной плоской модели. Эта процедура не вносит изменения в базу данных модели.
5. Utility Menu > PlotCtrls > Style > Symmetry Expansion > 2D Axi-Symmetric

6. Выбрать 3/4 expansion.
7. OK.
8. Utility Menu >

PlotCtrls >

Pan,Zoom,Rotate
9. Iso.
10. Close.


Шаг 20. Выход из программы.
На панели инструментов: QUIT.
Выбрать Quit - No Save!
OK.