Вычисление неуравновешенной силы в ANSYS Maxwell 2D с использованием ACT Maxwell Eccentricity

Вычисление неуравновешенной силы в ANSYS Maxwell 2D с использованием ACT Maxwell Eccentricity

Стандартная установка ANSYS Maxwell 2D содержит предустановленное приложение ACT (Ansys Customization Toolkit) Maxwell Eccentricity для реализации эксцентриситета в задачах с цилиндрическим вращением. В Maxwell Help есть разделы, где обсуждаются способы использования ACT, но по большому счёту, просто указывается на какие кнопки нажимать, не приводя наглядный пример. В этой статье обсуждаются несколько типов эксцентриситета, которые могут быть реализованы с помощью мастера ACT, и результирующая сила, которую будут испытывать подшипники ротора. В качестве примера используется электрическая машина типа SMPM с поверхностным монтированием постоянных магнитов. Предполагается, что читатель знаком с интерфейсами Ansys Maxwell и Ansys RMxprt.

Пример электрической машины типа SMPM включён в примеры приложений установки ANSYS RMxprt. Вы можете начать с этого примера, открыв пример из директории установки меню Electronics Desktop> File> Open Examples, затем RMxprt> ASSM> assm-2.aedt. 

В начальном примере RMxprt необходимо изменить тип соединения обмоток, с цепи постоянного тока С2 на более привычный тип AC, Y3. Для данного примера подходит любая схема включения обмоток. Мы используем привычную схему включения Y3 звезда с синусоидальным возбуждением вместо редкой схемы С2 по умолчанию просто для удобства работы. Кроме того, если мы будем детально прорабатывать конструкцию двигателя, мы, скорее всего, захотим масштабировать приложенное напряжение, но в этом примере это не обязательно.

После запуска анализа задачи RMxprt, создаётся модель Maxwell 2D (меню RMxprt > Analysis Setup > Create Maxwell Design). Обратите внимание, что по умолчанию создаётся полностью подготовленная модель электрической машины с максимальным понижением размерности. Четверть геометрической модели машины представлена на рисунке ниже.     

Эта модель сбалансирована по определению, и не может быть использована в качестве модели для исследования эксцентриситета. Нужно отметить, что четверть модели всегда сбалансирована. Для дальнейшего использования (в последнем разделе), мы зададим расчет силы перед решением нестационарной задачи в Maxwell, просто выбрав все движущиеся объекты (Rotor, InnerRegion, Shaft, Mag_0) и определив новый параметр Force (меню Maxwell 2D> Parameters> Assign> Force).

Для работы с эксцентриситетом необходима полная 2D модель электрической машины в 360 градусов. Мы можем создать нужную геометрическую модель, вернувшись к дизайну RMxprt. В рамках проекта RMxprt измените Design Settings (меню RMxprt> Design Settings) и включите User Defined Data пользовательские данные с помощью одной строки: Fractions 1

Это позволит сохранить полную геометрию машины при создании проекта Maxwell. Запустите решение проекта RMxprt, а затем повторно экспортируйте модель в Maxwell 2D.

Для включения вычисления силы выберите все движущиеся объекты внутри Band (Rotor, InnerRegion, Shaft, Mag_0, Mag_1, Mag_2, Mag_3), и затем назначьте Force Parameter (меню Maxwell 2D> Parameters> Assign> Force).

Мастер настройки ACT Eccentricity

В меню Maxwell выберите View> ACT Extentions, чтобы убедиться, что открыто окно ACT. Если вы нажмете на значок «Launch Wizards», то должны увидеть ACT «Maxwell Eccentricity», запустите его для продолжения. Если что-то пошло не так, вам нужно будет вернуться назад и нажать значок «Manage Extensions». В «Manage Extensions» вам нужно будет найти «Maxwell Eccentricity» и выбрать «Load Extension» или «Load as Default». Затем вы можете запустить «Launch Wizards», чтобы начать прохождение мастера ACT Wizard. Ниже приведены изображения мастера ACT Maxwell Eccentricity.

Мастер ACT предложит выбрать проект и дизайн Maxwell, затем определить тип эксцентриситета. В 2D доступны установки смещения по X, Y координатам для эксцентриситета части «Part Eccentricity» или эксцентриситета оси «Axis Eccentricity». Настройки показаны ниже

Поясняющие рисунки для 2D эксцентриситета:

Эксцентриситет вращающейся части (Rotating Part) означает, что в пределах заданного диапазона смещаются движущиеся части "moving parts". Эксцентриситет оси вращения (Rotating Axis) означает, что на заданный диапазон смещается только объект Band и его ось вращения.

На приведённых выше диаграммах, внешняя синяя область представляет собой неподвижные объекты (статор), зеленая пунктирная линия в воздушном зазоре - это объект «Band», а оранжевый объект в центре представляет собой все вращающиеся части (ротор). При использовании эксцентриситета вращающейся части (Rotating Part Eccentricity) сдвигаются только вращающиеся объекты, а само вращение происходит в центре объекта Band, который остаётся на своём месте. Для эксцентриситета вращающейся оси (Rotating Axis Eccentricity) перемещаются как объект Band, так и ось его вращения, но вращающиеся объекты остаются неподвижными.

Эксцентриситет вращающейся части даст колебание ротору вокруг оси вращения (иногда называемое динамическим эксцентриситетом). Эксцентриситет оси вращения просто сдвигает ось вращения ротора относительно оси статора, так, что появляется другое колебание вращающихся частей, но вокруг другого положения оси. Если мы используем обе опции в одном направлении, мы можем сдвинуть ось вращения и вращающиеся части так, чтобы компенсировать и минимизировать колебания (иногда называемых статическим эксцентриситетом).

После завершения ввода данных в мастере настройки эксцентриситета в проект будут внесены некоторые изменения и появятся переменные связанные со значениями смещения. Вы можете просто изменять их и понаблюдать какие произойдут изменения в геометрической модели, а именно подвижные части и положение объекта Band.  

Примеры. 4 случая эксцентриситета и балансировка

Вращающий момент, ток, напряжение во всех рассмотренных случаях во многом одинаковы. Малые расхождения могут быть найдены, но мы сосредоточимся только на параметре cилы. Значения силы при эксцентриситете определяются в неподвижной координатной системе. Вы можете проверить описание колебаний с помощью форме графиков силы.

Для четырёх случаев построены графики сил по x и y осям, а также амплитуда результирующей силы:

02_M2D_Full (балансированный случай без эксцентриситета)
03_M2D_Full_AxisEccentric (колебания вокруг неотцентрованной оси)
04_M2D_Full_PartEccentric (колебания вокруг отцентрированной оси)
05_M2D_Full_BothEccentric (статический эксцентриситет)

Обратите внимание, полностью сбалансированный случай имеет нулевые усилия, незначительный ненулевой результат в основном обусловлен зубцовыми пульсациями или численным шумом. Остальные три случая эксцентриситета имеют примерно одинаковую амплитуду силы. Эти общие усилия и передаются на подшипники, чтобы поддерживать центрирование вала. Как эксцентриситет оси, так и эксцентриситет части показывают частоту силы колебаний. Статический эксцентриситет в этом случае показывает в основном сдвиг статической силы, который примерно равен смещению динамической части той же мплитуды (~ 40 Н).

01_M2D_quarter (начальная модель четверти геометрической модели)

Заключительный опыт демонстрирует вычисления силы при использовании четверти модели.

Четвертая чать модели машины показывает значительно большую силу, повторяющуюся каждые четверть периода. Данная сила не представляет собой силу воздействия на подшипники, но это будет «внутренняя сила» вращающихся частей, которая содержит все внутренние силы, действующие на вращающиеся части. Статическая (радиальная) часть этой внутренней силы компенсируется остальной геометрией при сбалансированном роторе. Динамические (тангенциальные) части этой внутренней силы создают крутящий момент. В целом, это реальная объемная сила, действующая на ротор, но в сбалансированной конфигурации обычно игнорируется и предпочитается величина вращающего момента ротора.