Использование модели динамического размагничивания в ANSYS Maxwell для задач электрических машин

Нижеприведенные инструкции актуальны для ANSYS Release R17.x / Electronics Desktop 2016.х и могут быть не актуальными для ранних версий. Последующие обновления также могут повлиять на работоспособность тех или иных рекомендаций.

Нестационарный решатель ANSYS Maxwell содержит возможности, которые можно использовать для моделирования эффектов размагничивания постоянных магнивов в динамическом, переходном магнитном моделировании. Для успешного применения опций размагничивания необходимо придерживаться некоторых рекомендаций относительно настроек параметров решателя и самой модели, например, определение нелинейного постоянного магнита.

В этой статье читатели смогут найти полезную информацию по решению задач с размагничиванием постоянных магнитов. Примером будет являться синхронная машина с, инкорпорированными в стальной пакет ротора, постоянными магнитами. Рассматривается ситуация с внезапным изменением амплитуды тока статора до максимального значения и последующим возвратом его к номинальным значениям.

Решение:

Есть два обязательных условия для работы модели динамического размагничивания. Во-первых, необходимо использовать нелинейную кривую BH для определения постоянного магнита. Второе необходимое действие заключается в том, чтобы включить эффект размагничивания в нестационарном решателе. Работа модели динамического размагничивания заключается в том, чтобы в процессе решения нестационарной задачи для нелинейных постоянных магнитов вычислять наихудшие рабочие точки и затем обеспечивать их работу на линии возврата в размагниченном состоянии. Детали этих трех частей (определение нелинейной кривой BH, модель динамического размагничивания и работа по линиям возврата) поясняются разделах статьи.

Определение нелинейной кривой BH

Нелинейная кривая BH для постоянных магнитов представляет собой кривую, определяемую преимущественно во втором квадранте (положительное B и отрицательное H), и с возможным продолжением в третий квадрант (отрицательное B и отрицательное H). Существует два варианта определения BH: Normal или Intrinsic, оба из которых используются производителями магнитных материалов. Для ясности, нормальная кривая (Normal) будет иметь наклон, приблизительно равный проницаемости свободного пространства при H = 0, тогда как внутренняя кривая (Intrinsic) будет иметь наклон, почти равный нулю при H = 0. Кривая BH должна определяться по крайней мере во всем втором квадранте и должна обязательно включать «колено» кривой, где магнитный поток уменьшается быстрее. Точка пересечения кривой BH с осью X называется коэрцитивной силой, для кривых Normal и Intrinsic существуют различные коэрцитивные силы. Точка пересечения кривой BH с осью Y называется остаточной индукцией, для кривых Normal и Intrinsic существуют одно значение остаточной индукции. Всякий раз, когда вы используете кривые в ANSYS Maxwell, не забудьте использовать монотонно увеличивающиеся значения, а также использовать правильные единицы измерения. Пример кривой BH постоянного магнита показан ниже на рисунке 1 с кривой Normal BH. Коэрцитивная сила для кривой Normal равна -690 кА / м, а остаточная индукция 0,96 Тл.

При обычном процессе расчёта (без использования модели динамического размагничивания) решатель ANSYS Maxwell будет использовать кривую BH точно так, как задано пользователем, и будет искать рабочие точки точно на кривой BH для всех моментов времени. Модель же динамического размагничивания будет отклоняться от этого точного задания BH кривой в соответствии с моделью, описанной ниже.

Рисунок 1: Задание кривой BH для постоянного магнита

Включение модели учёта динамического размагничивания

Модель Dynamic Demagnetization включается в меню Excitations. Доступ к этому меню можно получить, щелкнув правой кнопкой мыши в окне диспетчера проектов или в главном меню в разделе: Maxwell 2D/3D > Excitations > Set Magnetization Computation…

Текущее расположение настроек отличается от предыдущих версий, но опции интегрированы таким же образом и с улучшенными возможностями связи.

Рисунок 2: Настройки вычисления намагничивания

На рисунке справа показаны настройки вычисления намагничивания. Для учёта динамического размагничивания магнитов в моделировании переходных процессов необходимо выбрать второй вариант в предложенном списке “Compute demagnetized operating points”. Первый вариант («No operating points computation») является значением по умолчанию, который предусматривает, что в решении используются заданные кривые BH для всех шагов времени. Второй вариант вычисляет наихудшую рабочую точку (самую дальнюю слева на кривой BH), а затем решение использует линию возврата для всех последующих периодов времени, пока не появится другое худшее состояние - это принцип работы по линии возврата, используемой для динамического размагничивания магнитов. Детали работы модели по линии возврата описаны в следующем разделе. Третий вариант используется в другой модели для исследования эффекта намагничивания «зарядки» немагнитного объекта, в этот раз мы не будем затрагивать этот вариант. Для динамического размагничивания, как и говорилось ранее, требуется полная стандартная кривая BH постоянного магнита во втором квадранте.

Описание модели работы по линии возврата

Отношение B и H, определяемое нелинейной кривой, строго применяется только вдоль направления гистерезиса, а не тогда, когда напряженность приложенного поля изменяется по величине / направлению. Модель работы по линии возврата является полезным способом нахождения различных реакций в пределах внешней огибающей кривой магнита и учитывает обратимые и необратимые магнитные явления. Для детального обсуждения поведения этой модели, обратимся к диаграмме на рисунке 3.

Без какого-либо дополнительного возбуждения постоянные магниты в электрической машине могут работать на верхней части кривой BH между точками P и Br. Когда внешнее поле возбуждения направлено противоположно направлению намагничивания магнита, поля смещают рабочую точку вниз по кривой в сторону точки P, которую можно назвать «наихудшая рабочая точка». Если приложенное поле затем будет уменьшено, то состояние магнита будет изменено и его остаточная индукция не вернется к исходному значению Br, и он будет работать по «линии возврата» вдоль линии PR. Наклон линии PR называется магнитной проницаемостью возврата, в ANSYS Maxwell он имеет тот же наклон, что и касательная к нормальной кривой BH в точке (B = Br, H = 0). Физически существует небольшая локальная петля гистерезиса, определяемая кривыми PVR и RUP, где площадь внутри этих кривых мала и хорошо аппроксимируется прямой PR.

Если последующее внешнее поле Hq имеет меньшую величину, чем наихудшая рабочая точка Hp, то поле продолжает работать по кривой возврата PR. Однако, если приложенное поле увеличивается до величины, большей, чем Hp, то рабочая точка продолжает спускаться по исходной кривой BH, таким образом будет найдена новая наихудшая точка Hq, которая будет начальной точкой для новой линии возврата QS. Новое состояние магнита уже будет не способно вернуться на предыдущую линию возврата PR. Этот механизм описывает работу модели по линии возврата для размагничивания первоначально полностью намагниченного постоянного магнита.

Размагничивание на примере электрической машины

Размагничивание является проблемой в синхронных электрических машинах с постоянными магнитами, работающих как двигатели и генераторы. Размагничивание может быть вызвано авариными ситуациями, коротким замыканием в цепи, регулярной работой при повышенной температуре, временным рабочим состоянием из-за команд управления или режимом работы с намеренным ослаблением потока постоянного магнита. В примере рассматривается синхронный двигатель IPM с сильными инкорпорированными постоянными магнитами типа NdFeB при комнатной температуре, поэтому чтобы увидеть в них какие-либо изменения, приложенные токи должны быть очень сильными. Пример IPM берется и адаптируется из примера «ipm_3», доступного в каталоге установки RMxprt.

Рисунок 3: Диаграмма работы модели по линии возврата

Установка, создание и изучение модели оставлены в качестве упражнения. Основное замечание состоит в том, что в качестве возбуждения используется источник тока, и модель имеет начальное установившееся состояние, затем следует период очень больших токов и возвращение к окончательному установившемуся состоянию. Представленные ниже результаты во временной области показывают входные токи DQ, результирующий вращающий момент, потокосцепление и рабочие точки BH для трех разных локаций в пределах ведущего постоянного магнита. Средние результаты на кривых представляют периоды времени в начальном и конечном стационарных состояниях и показывают изменения характеристик двигателя вследствие процесса размагничивания. Рабочие точки в нестационарном решении показывают, что начальное значение индукции в магните около 0.85-0.9T наиболее сильно уменьшается на задней кромке и в середине магнита и менее сильно на переднем фронте. Нужно отметить, что все эти кривые работают на собственных линиях возврата после импульса тока.

На заключительных графиках показано сравнение первоначальной (время = 0 с) и конечной намагниченность постоянных магнитов (время = 8,33 мс). Мы можем видеть изменение размагничивания по объему постоянного магнита.

При работе с проектом рекомендуется изменить конструкцию двигателя в ANSYS Maxwell 2D. Классическая конструкция имеет вращающийся ротор, но именно для этого примера рекомендуется вращать элементы статора, а ротор оставить неподвижным. Поведение и динамические характеристики будут идентичны начальному дизайну, но легче построить компоненты магнитного поля ротора в неподвижной системе координат.

Точки для измерений

Time = 0s (начальное состояние), Time = 8.33ms (размагниченное состояние)