Структурированные трехмерные сеточные модели для задач моделирования электрических машин.

Проблема построения адекватных трехмерных сеточных моделей для задач моделирования электрических машин всегда остаётся актуальной. Пользователю всегда нужно искать компромисс между качеством полученных результатов и машинным временем расчета нестационарных магнитных задач. В настоящее время бурное развитие компьютерной техники позволяет в какой-то степени бесконечно наращивать вычислительные мощности, но линейного роста производительности при решении задач моделирования электромагнитного поля не наблюдается. На это есть ряд причин, основными из которых, считаю, нереализованную технологию декомпозиции сеточной модели и возможность её решения на кластерных вычислителях. Во многих вычислительных модулях ANSYS данные технологии давно реализованы и успешно применяются, но пользователям ANSYS Maxwell пока приходится довольствоваться решением в рамках одной вычислительной станции с единой оперативной памятью.
Принимая во внимание вышеперечисленные ограничения, перечислим те реализованные и планируемые возможности для нахождения того самого компромисса между качеством и временем решения задач моделирования электромагнитного поля в ANSYS Maxwell для электрических машин:

1. Периодические граничные условия для плоскопараллельного случая.
2. Периодические граничные условия и условия симметрии для трехмерного случая.
3. Опция клонирования сеточных моделей и создание слоистой сеточной структуры для плоскопараллельного случая.
4. Опция клонирования сеточных моделей для трехмерного случая без скоса пазов.
5. Планируется расширение опции клонирования для трехмерных структур со скосом паза.
6. Планируется введение возможности создания слоистых сеточных структур для трехмерного случая.

 Таким образом не трудно заметить, что помимо периодических граничных условий и симметрии разработчики уделяют особое внимание созданию симметричных, структурированных сеточных моделей для более быстрого и качественного решения.
В предыдущем релизе ANSYS Electromagnetic suite 15.0 было заявлено о новом сеточном генераторе для слоистых сеточных структур “TAU Mesh” (Рисунок 1) и о первой за несколько лет дополнительной опции сеточного генератора для двумерных задач “Clone Mesh” (Рисунок 2).

Рисунок 1. Сеточный генератор “TAU Mesh” позволяет создавать слоистую сеточную модель для разрешения скин слоя.

Рисунок 2. Сеточная опция “Clone Mesh” позволяет создавать симметричную сеточную модель электрической машины.

Перечисленные опции для плоскопараллельного случая, конечно же, значительно сокращают время расчёта при обеспечении качества решения на должном уровне. Нужно отметить, что опция создания слоистых сеточных структур может быть применена в любых задачах с ярко-выраженным поверхностным эффектом.
В релизе этого года ANSYS Electromagnetic suite 16.0 заявлено о новых разработках в области трехмерных сеточных моделей для задач электрических машин. Идея создания таких сеток (Рисунок 3) мало чем отличается от плоскопараллельных, но отличительная особенность в том, что процесс выявления и засечивания симметричного геометрического сектора, последующее клонирование и “протяжка” сетки вглубь модели, происходит полностью автоматически.

Рисунок 3. Сеточная модель электрической машины с использованием “3D clone mesh”.

Создание сеточной модели с использованием технологии “3D clone mesh” в новом релизе полностью автоматическое и возможность задействовать опцию появляется на этапе назначения объекта “Band”. В дереве проекта появляется вспомогательная сеточная опция “CylindricalGap” с возможностью включения “Clone mesh” (Рисунок 4).

Рисунок 4. Активация новой опции “Clone mesh”.

Автоматический процесс создания трехмерных симметричных сеточных моделей выполняется если соблюдены несколько условий:

1. Только для трехмерных нестационарных моделей с вращением.
2. Добавлена сеточная опция “CilindricalGap”.
3. Нет скоса пазов на статоре.
4. Минимум два зубца статора.

Если начальные условия не выполняются, то опция “CloneMesh” автоматически отменяется и построение сетки выполняется с использованием стандартного алгоритма. Стоит отметить, что в случае выполнения всех условий алгоритм создает симметричную структурированную сеточную модель на всех объектах модели за исключением обмоток статора, которые разбиваются стандартными методами.
Протестируем на простом примере асинхронного двигателя Yzd132-4 новые возможности. Были созданы два абсолютно-идентичных трехмерных проекта ANSYS Maxwell путём экспорта модели из ANSYS RMxprt. Сеточные опции для “TAU” mesh оставлены без изменений, для “Clone mesh” установлена соответствующая опция в “CilindricalGap”. В первую очередь необходимо было понять различие во времени построения начальной сеточной модели и во времени решения одного интервала времени, например, 10мс.  Так же сравнены качество сеточной модели и полученные результаты.

Рисунок 5. Сравнительная таблица.

Рисунок 6.Сравнение сеточных моделей, созданных стандартным “TAU” и “Clone mesh” сеточными генераторами.

Рисунок 7. Сравнение магнитной индукции в статоре машины на различных сеточных моделях.

По результатам проведённого эксперимента видно, что новая сеточная модель была построена в 2 раза быстрее, тем не менее количество тетраэдров одинаково. Решение на новой сеточной модели происходит несколько быстрее, качество полученных результатов выше.
Итак, численное моделирование электромагнитных полей на новых симметричных, структурированных сеточных моделях электрических машин, действительно повышает качество получаемых результатов и в то же время увеличивает временные показатели по скорости счета. Автор ожидает увидеть в следующих версиях программного обеспечения возможности, обеспечивающие контроль пользователя над новым автоматическим процессом создания сеточной модели, учет скоса пазов статора\ротора, а также большой интерес представляют заявленные работы по реализации слоистых сеточных моделей для трехмерных решателей.