В течение многих лет лучшая практика подготовки 3D-модели для расчета электродвигателя включала сначала импорт трехмерной геометрии, а затем определение области для задания циклической симметрии. Наличие у системы подобной симметрии сильно облегчало решение задачи. В таких случаях мы сначала с помощью двух секущих плоскостей выделяли область с циклической симметрий, а затем определяли на этих плоскостях соответствующее граничное условие симметрии. Этот подход и по сей день остается актуальным и используется для уменьшения размера расчетной области и сокращения общего времени вычислений для выполнения и без того дорогостоящего итерационного анализа. Благодаря такому подходу, при создании сетки можно использовать более симметричные и регулярные топологии сетки, чтобы минимизировать влияние численного метода решения дифференциальных уравнений (МКЭ) на общее прогнозирование производительности двигателя.
Однако проблемы, с которыми сталкиваются конструкторы при усложнении геометрии электродвигателя, по-прежнему остаются актуальны. Для асинхронных электродвигателей со скошенными пазами ротора и/или статора при моделировании приходится искать компромисс между геометрической симметрией и электромагнитными граничными условиями. Несмотря на то, что для расчета характеристик двигателя используется симметричная геометрия, любой проектировщик также хотел бы визуализировать результаты электромагнитных расчетов в полноценном трехмерном представлении.
Сложная 3D-геометрия компонентов двигателя
Проблемы при моделировании электромагнитных полей электродвигателя усложняются по мере добавления различных физических эффектов в задачу, например, анализа шума и вибраций или расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов конструкции двигателя. Еще ряд проблем связан с оценкой теплового состояния электродвигателя, поскольку для соблюдения конкретных физических условий могут потребоваться полноценные трехмерные расчеты без использования упрощений в виде симметричных граничных условий.
Как сегодня конструкторы работают со сложной 3D-геометрией
Существует ряд ошибок, связанных с тем, как конструкторы обычно подходят к построению сложных 3D-геометрий.
Например, при импорте полной геометрии электродвигателя из САПР-систем она может быть избыточной с точки зрения электромагнитного расчета двигателя. Для удаления лишних элементов необходимо потратить время. При этом создание геометрии с нуля требует навыков работы с САПР, а также времени и денежных затрат.
Как уже было сказано, определение области с циклической симметрией (3D-сегмента) с помощью двух секущих плоскостей не всегда отражает физическую симметрию, особенно если в двигателе есть скошенные элементы. Выделение отдельного 3D-сегмента с симметричными граничными условиями затрудняет дальнейший перенос рассчитываемых электромагнитных величин (потерь или сил) на полную 3D-геометрию, когда требуется провести тепловой анализ или моделирование шума, вибрации и расчеты НДС при выполнении многодисциплинарных связанных расчетов.
Наконец, все операции с сеткой, необходимые для обеспечения точности моделирования, требуют знаний о влиянии сетки на решение задачи методом конечных элементов.
Электромагнитный анализ (field calculation) с циклосимметрией с использованием неплоских граничных условий
Nonplanar – неплоский срез
Для решения этих задач в Ansys Maxwell доступно решение, позволяющее импортировать полную 3D-геометрию двигателя из любой САПР-системы.
На основе выделенного 3D-сегмента Maxwell автоматически создает трехмерную модель, применяя обрезанные граничные условия и создавая регулярную и симметричную сетку.
Отображение электромагнитных полей по всей окружности с обозначением плотности магнитного потока и плотности тока
Такой подход позволяет Maxwell выполнять расчеты на фрагменте геометрии и отображать результаты на исходной полной 3D-геометрии. Более того, при решении электромагнетной задачи на фрагменте конструкции Maxwell позволяет подключить сторонние решателя для оценки температурного состояния и выполнения гармонического анализа, для которых требуется полная 3D-геометрия в силу природы того или иного физического явления, и выполнять связанные расчеты. Главное преимущество этого метода заключается в возможности использования неплоских срезов для задания требуемой электромагнитной симметрии через небольшой сегмент конструкции. Это позволяет получить наиболее точную и симметричную сетку даже тех роторов и статоров, которые имеют перекошенные компоненты, не увеличивая время и стоимость вычислений.
Без сомнения, новая методология становится передовым методом для моделирования конструкции двигателя со сложной трехмерной геометрией. Это мощное решение, которое позволяет начинающим и опытным инженерам быстро работать над проектом и решать задачи моделирования с рекордной скоростью и точностью.
Узнайте о других возможностях Ansys Maxwell вы можете на вебинарах:
Экспорт и анализ торцевого двигателя в Ansys Maxwell
Вибрационно-акустический анализ электродвигателей средствами Ansys
Оригинал статьи: https://www.ansys.com/blog/how-to-simulate-complex-electric-motors