Потери в стали с моделью гистерезиса в ANSYS Maxwell

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.

Модель гистерезиса может быть использована в нестационарных решателях ANSYS Maxwell 2D и 3D для очень точного определения потерь в стали и моделирования гистерезисного поведения ферромагнетиков с учётом частных петель. Если модель гистерезиса используется для вычисления потерь в стали, то гистерезисный компонент потерь вычисляется непосредственно из введенной петли гистерезиса, а часть потерь на вихревые токи основывается на классическом методе оценки в постпроцессоре на основании коэффициенте Кс в случае с шихтованным пакетом, или же потери вычисляются в явном виде в случае с массивными проводниками.

Имеется несколько применений термина “Hysteresis” в рамках ANSYS Maxwell. В этой заметке речь идёт именно об опции вычисления потерь в стали в нестационарном решателе, названной “Hysteresis Model”. Это более точная альтернатива стандартной модели потерь “Electrical Steel” (transient, eddy current), которая основана на аналитическом выражении (Steinmetz) и содержащей компонент потерь “Hysteresis Loss” для заданного коэффициента Kh.

Настройка материалов для использования гистерезисной модели.

Используется “безгистерезисная” или DC кривая намагничивания. Введите нелинейную BH кривую для магнитомягкой стали в первом квадранте, начало должно быть в точке (0,0), продолжите линию в область насыщения, гораздо дальше чем планируете моделировать. Это позволит при моделировании корректно интерполировать данные без необходимости каких-либо данных экстраполяции BH. Убедитесь, что используете правильные единицы измерения для ввода данных BH, проверьте, что в зоне насыщения начальные кривые намагничивания (normal и intrisic) становится линейными и xi -> 0, mu -> 1.

Проводимость Bulk Conductivity используется только в Maxwell Transient 3D, в случае, когда необходимо учесть потери из-за магнитного потока, проходящего по нормали к заданному шихтованному пакету.

Magnetic Coercivity игнорируется в этой модели.

Core Loss Model необходимо активировать и выбрать использование Hysteresis Model.

Для моделирования шихтованных пакетов, в опции Lamination предусмотрены поля для ввода коэффициента заполнения сталью объема и указания направления шихтовки. V (1), V (2), и V (3) относятся к декартовой системе координат X, Y и Z, или к цилиндрической R, Phi, и Z соответственно.

Пример заполненных данных свойств материала для типичной магнитомягкой стали с нелинейной кривой намагничивания и включённой гистерезисной моделью в меню определения потерь в стали.

Задание значения Hci для гистерезисной модели

Вы можете указать значение коэрцитивной силы Hci (Intrinsic Coercivity) в свойствах материала или использовать калькулятор определения петли гистерезиса, где необходимо задать Hci и остаточную индукцию Br (опционально).

Калькулятор определения петли гистерезиса доступен в опции “Calculate Properties for: Hysteresis Loop”.

Калькулятор восстанавливает петлю гистерезиса при наличии данных по Hci (и Br).

Для шихтованного материала указывается коэффициент Kc (Classic Eddy Current) для учета потерь в стали на вихревые токи. Этот коэффициент можно определить, зная проводимость σ в Сименс/метр, толщину листа d в метрах:

            Kc = π² σ d² / 6

Это слагаемое будет являться компонентом потерь в стали (индуцированные токи в каждой пластине шихтованного пакета). Дополнительно включение опции Eddy Current не требуется, так как вычисление вихревых токов в массивных проводниках не представляется возможным.

Для массивных проводников, например, для цельного стального пакета коэффициент Kc не используется. В таком случае необходимо указать проводимость материала, включить опцию Eddy Effect и моделировать вихревые токи в проводнике в явном виде.

Во всех случаях нет необходимости использовать опцию “set Core Loss”, так как используется гистерезисная модель. Потери в стали будут доступны в постпроцессоре для тех элементов модели, в свойствах материалов которых заданы соответствующие опции для гистерезисной модели.