Постпроцессор ANSYS Maxwell 16.0. Построение сравнительной гистограммы индукции насыщения в зубцах электрической машины.

       В продолжение рубрики постоянных статей о программах конечноэлементного анализа, предлагаем затронуть тему работы в постпроцессоре ANSYS Maxwell 16. Умение правильно сформулировать задачу, выбрать нужный решатель, получить корректные результаты по распределению электромагнитного поля в расчётной области - только начало работы. Один из самых сложных моментов это работа с полученными данными. ANSYS Maxwell в не зависимости от того, какой вид решения выбран, решает систему дифференциальных уравнений Максвелла в частных производных и при заданных граничных условиях итеративно приближает решение к единственно возможному. Результат решения – векторное поле, поэтому пользователю для правильного извлечения необходимых величин необходимо чёткое понимание векторной алгебры, комплексных чисел, уравнений Максвелла в дифференциальной и интегральной форме.
       Из предыдущих статей, видеопримеров, пользовательских онлайн семинаров возможно получить более общую информацию о постпроцессоре Maxwell, чем предлагается в данной статье. Для многих виртуальное моделирование заканчивается на этапе получения «красивых картинок», а именно на последующем этапе начинается аналитика и основная работа. Опытные пользователи еще на этапе постановки задачи и работы с геометрией модели вводят дополнительные пути, поверхности интегрирования, виртуальные объекты, которые не влияют на решение, но существенно уточняют полученное решение и, в некоторых случаях, помогают отобразить необходимые результаты не предустановленным способом.
       В последней версии ANSYS Maxwell 16 постпроцессор дополнился рядом значительных дополнений. Основным нововведением автор считает возможность введения в постобработку любых 1D, 2D, 3D объектов, которые не влияют на построенную сетку конечных элементов и тем самым не сбрасывают решение. Добавлена опция маркеров поля для расчетной области с помощью которой возможно точно узнать амплитудное значение в точке, а не угадывать его на шкале распределения. Калькулятор поля позволяет работать с векторным полем и экспортировать однородную сетку в сферических и цилиндрических координатных системах.

Рис 1. Маркер m1 определяет амплитудное значение магнитного поля в точке и указывает её координаты.

Существует несколько подходов к постобработке результатов:

Построение векторных и скалярных графиков, вычисленных величин поля, на 1D, 2D, 3D объектах расчётной области. Для 3D объектов необходимо указать как будет построено распределение, в объёме или на поверхности тела.

Рис 2. Пример построения одной величины в объёме и на поверхности.

Следует учесть, что для построения разработчиками предусмотрены только несколько основных величин, далее будет приведен пример создания собственного выражения.

Рис 3. Последовательность действий для построения графика на поверхности тела.

Приведенная последовательность действий одинакова для всех типов решений, для плоской, плоской-осесимметричной, трехмерной задачи.

Построение графиков вдоль заданной линии, как функцию от координаты. Для достижения наилучших результатов, линия должна быть предопределена заранее и участвовать при создании сетки конечных элементов. В предыдущих версиях добавить новый объект (линия, поверхность, объём) к существующему расчёту всегда приводил к сбросу решения и очистки временной директории, эти объекты нельзя было использовать в калькуляторе поля, в новой версии проблема решена. Для добавления к существующей модели дополнительных тел, следует перед вычерчиванием указать в настройках: добавлять Non model тела.

Рис 4. Включение опции добавлять новые тела не в модель.

В ветке Results существует 2 основных типа отчётов, Create Field Report общий для любого вида решения и относится непосредственно к выражениям, созданным в калькуляторе поля. Второй тип отчёта индивидуален для каждого решателя Create Magnetostatic ( Eddy Current, Transient и т.д.) Report и связан с предустановленными величинами вычисления (Matrix, Force, Torque и т.д.)

Рис 5. Последовательность действий для построения графика распределения амплитуды магнитной индукции вдоль заданного пути.

Управление величинами поля Field Calculator. Обратите внимание на величину Bz в колонке Quantity рисунка 5. Данная величина представляет собой только Z составляющую магнитной индукции. Данное выражение необходимо создать самостоятельно, используя калькулятор поля. Калькулятор поля черезвычайно-полезное дополнение, с помощью него возможно работать с векторными полями, узнавать значение в точках, интегрировать и дифференцировать, раскладывать векторные поля на составляющие, работать с комплексными числами, создавать выражения для решателя для контроля сходимости, выражения для построения и многое другое.

Рис 6. Приведем пример создания выражения Bz.

Следует иметь ввиду, что при вычислении интегральных выражений с помощью калькулятора поля для плоской 2D постановки задачи, все определенные величины будут на метр глубины вне зависимости от типа выбранного решения.

Рассмотрим пример. Решается задача распределения магнитного поля в магнитной системе электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов. Необходимо построить:

На одном графике распределение магнитной индукции в зубцах магнитопровода по заданному пути для двух вариантов расчёта: при одинаковых и различных размерах полюсных наконечников и постоянных магнитов.
На радиальной поверхности, которая проходит по среднему радиусу машины, векторный график магнитной индукции.

Рис 7. Магнитная система электрической машины.

Рассмотрим случай, когда решение уже существует, и мы решали два варианта на разных вычислительных станциях и изначально не было известно какие результаты потребуются. Следует учесть, что любая линия имеет свое начало и конец, поэтому чтобы графики совпадали по координатам необходимо вычерчивать линии в разных проектах соблюдая последовательность указанных точек. Чтобы существующее решение не исчезло, необходимо вычерчивать Non model линии.

Рис 8. Определение пути

Для построения сравнительной гистограммы необходимо определить путь, построить распределение заданной величины и экспортировать результаты в файл, затем произвести те же операции по второму расчёту и к построенному графику импортировать сохраненные результаты.

Рис 9. Сравнительная гистограмма индукции насыщения в зубцах электрической машины для двух вариантов расчёта.

До 16 версии Maxwell было возможным вводить Non model поверхности, но не было возможности использовать их калькуляторе поля или для построения графиков. Данный случай рассмотрен не случайно, если ввести данную поверхность, даже возможно не одну, в модель, то расчёт значительно усложнится с точки зрения количества конечных элементов.

Рис 10. Добавляем необходимую для построения поверхность.