Модель “Skew Model” в ANSYS Maxwell 2D

Модель “Skew Model” первый раз появилась еще в обновлении ANSYS Electromagnetic Suite 17.0 и предназначается для упрощения работы с синхронными электрическими машинами с полюсами ротора, изготовленных из постоянных магнитов. Потребность в этом функционале продиктована желанием пользователей анализировать на виртуальной модели плавность хода электрических машин, не прибегая к трехмерному моделированию.

Действительно, до ANSYS EM R17 только переход к трехмерной модели был единственной возможностью исследовать зубцовые пульсации электрических машин. С появлением в нестационарном решателе модели “Skew Model” стало значительно проще, время расчёта плоскопараллельной задачи несколько увеличилось, но все еще значительно меньше чем для трехмерной задачи.

Поводом к написанию этого обзора послужили несколько факторов. Несмотря на незначительное количество настроек в модели, пользователи имеют разные представления о том, как все же правильно задавать данные о скосе. Дело в том, что общий угол скоса, который подразумевают пользователи, не является таковым в интерпретации ANSYS Maxwell. На данный момент накопилось достаточно информации, чтобы выдать рекомендации по работе с моделью. Информация будет очень полезна для моделирования скоса для индукционных машин, релиз функционала назначен на ANSYS EM R19.1.

  Сглаженный и ступенчатый скосы

Для решения, по своей сути, трехмерной задачи моделирования скоса ротора или статора электрической машины в ANSYS Maxwell 2D используется решение на множестве срезов модели по глубине пакета для ступенчатого скоса с последующей обработкой полученных данных. Пользователю необходимо в меню “Skew Model” указать угол общего скоса “Skew Angle” и количество сегментов.  

Меню “Skew Model”

Рассмотрим первый случай.

Переход к сегментированному ротору для моделирования.

Реальный ротор имеет сглаженный скос, его виртуальное представление имеет ступенчатый скос. Необходимо установить такие настройки модели “Skew Model”, чтобы модели были эквивалентны.

Допустим реальный угол скоса 7.5deg. Для перехода к ступенчатому скосу устанавливается реальный угол скоса в поле “Skew Angle” 7.5 deg. Тут нужно отметить, что Maxwell работает только с углом сглаженного скоса. Количество сегментов “No. Of Slices”, например, 5. Введя такие настройки, можно обратить внимание, что в поле “Plot Field on Slice” выводятся 5 срезов и сумма углов этих срезов равна 6 deg, что меньше общего заданного реального угла скоса. Для пояснения приводится поясняющий рисунок.

Задание настроек модели

ANSYS Maxwell при переходе к ступенчатому скосу использует угол сдвига каждого среза, который отсчитывается от центра каждого слоя. Угол каждого среза вычисляется:

0deg всегда,

+/- n*(SkewAngle/N) для n <= (N-1)/2.

Для этого случая запишем все углы срезов:

0deg

Для n = 2: +/- 3 deg

Для n = 1: +/- 1.5 deg

Рассмотрим второй случай.

Во втором случае нужно решить обратную задачу. Реальный ротор имеет ступенчатый скос магнитов, необходимо настроить модель “Skew Model” таким образом, чтобы результаты моделирования были корректны.

Переход от ступенчатого скоса к сглаженному

Примем во внимание то, что Maxwell требует значение угла сглаженного скоса, а не ступенчатого.

Допустим реальный угол для ступенчатого скоса 7.5deg. Для перехода к углу сглаженного скоса устанавливается “Skew Angle” 9,375 deg. Количество сегментов “No. Of Slices”, например, 5. В поле “Plot Field on Slice” выводятся 5 срезов и сумма углов этих срезов равна 7.5 deg, что соответствует реальному углу ступенчатого скоса.

Угол каждого среза вычисляется:

0deg всегда,

+/- n*(SkewAngle/N) для n <= (N-1)/2.

Угол сглаженного скоса “Maxwell Skew Angle” = N * Total Skew / (N – 1)

Для этого случая запишем все углы срезов:

Угол сглаженного скоса “Maxwell Skew Angle” = 9.375 deg

0deg

Для n = 2: +/- 3.75 deg

Для n = 1: +/- 1.875 deg

Замечания:

• Модель “Skew Model” может применяться в равной степени к скошенному ротору или статору, поскольку это всего лишь относительное смещение на каждом «срезе».
• Skew Angle - это физический угол в механических градусах.
• Ограничение в R18.x / v2017.x. Возможно использовать нечетное число срезов.
• Для гладкого скоса рекомендуется использовать 5-7 срезов
• При использовании модели ANSYS Maxwell ищет решение для каждого среза независимо, поэтому время моделирования увеличивается в N-раз (где N - количество срезов). Используйте только столько фрагментов, сколько необходимо для необходимой точности.