Geometria rotorului (în coorodonate mm), caracteristica B-H a tolelor din care este format rotorul, caracteris B-H in cadranul II a magnetilor permanenţi. Crestăturile, canalele de ghidaj a câmpului şi spaţiul exterior şi interior sunt considerate de permabilitatea magnetica relativă unitară.

Geometria (părţile dezansamblate, cotate, asmablate în foşiere Autocad2000, DXF şi IGES) precum şi datele de material se afla arhivate sub format zip aici.

Se cere

Distribuţia câmpului magnetic în domeniul rotorului.

Ipoteze de modelare

Problema se modelează în primă fază 2D folosind formularea în potenţial magnetic vector.

Se modelează, ţinând cont de periodicitatea spaţială a câmpului în raport cu coordonata unghiulară la centru, doar un pol al rotorului.

Condiţiile de frontieră alese sunt astfel cea de periodicitate şi cea de potenţial zero la infinit sau, după cum se doreşte, Neuman la o distanţă de exteriorul rotorului.

Deoarece programul nu permite descrierea caracteristicilor nelineare B-H decât ca trecând prin origine, pentru modelarea magneţilor permanenţi (sursa de câmp) s-a folosit caracteristica de material transalatată prin origine şi aplicarea unor pânze de curent de valori opuse şi egale cu intenistatea câmpului magnetic coercitiv pe laturile longitudinale în raport cu direcţia de magnetizare N-S.

În continuare se va face o trece în revistă a principalilor paşi ai modelării, prin punctarea ordinii comenzilor.

Geometria se poate crea prin uneletele puse la dispoziţie de mediul integrat al ANSYS (prin trasare de elemente de bază: puncte, linii, arce, arii – există şi variantele cotate în amănunt între fişierele de descriere a geometriei).

Vezi meniurile:

Main Menu > Preprocessor > Create >

Main Menu > Preprocessor > Operate >

Însă am preferat descriererea (mult mai simplu de realizat) într-un editor CAD profesional şi adus în format IGES în ANSYS.

Astfel, pentru crearea filşierului de import în format IGES se pot urmări paşii:

1. Desenarea părţilor componenete, asmablarea desenului prin simetrii etc. în AUTOCAD2000 rezultând fişierul cu extensia .DWG

2. Salvarea (File>Export sau dxfout) sub formă DXF

3. Fişierul rezultat se importă cu programul QuickField (disponibil la adresa http://www.quickfield.com) în secţiunea Geometry (File>ImportDXF) şi apoi se exportă (File>ExportDXF) - această etapă este absolut necesară pentru a “sparge” contururile în liniii, arce şi puncte, uşor asimilabile apoi

4. În Autocad v12 se deschide fişierul DXF rezultat şi se exportă cu comanda igesout, rezutând un fişier cu extensia IGS

5. Fişul rezultat se importă din meniul FILE al ANSYS.

În continuare mai este necesară doar definirea ariilor.

Recomad folosirea în permanenţă a pannelului pentru poziţionarea pe desen:

Utility Menu > PlotCtrls > Pan,Zoom,Rotate

şi folosirea setării de numerotare a elementelor:

Utility Menu > Plot Ctrls > Numbering

Ariile se pot definii prin liniile care le definesc.

Main Menu > Preprocessor > Create>Areas>Arbitrary>By lines

Suprafeţele connexe se pot defini mai simplu prin definirea suprafeţei întregi extragerea golurilor (suprafeţe definite anterior):

Main Menu > Preprocessor > Operate > Substract > Areas

setând înainte variabila de ştergere pe 0 astfel încât ariile extrase să rămână definite:

Main Menu > Preprocessor > Operate >Settings -> Keep=YES

În toolbar: SAVE_DB

Definirea materialelor

4.1.4.1. Step 4: Set preferences.

Se setează mai întâi tipul analizei dorite:

Main Menu > Preferences

şi se setează Electromagnetic: Magnetic-Nodal filtering (formularea în potenţial magnetic vector, varianta nodală).

Se introduc pe rând caracteristicile de material ale mediilor implicate în problemă:

Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models

Pentru aer:

Electromagnetics, Relative Permeability, Constant: MURX=1

Pentru tabla de siliciu

Edit > Copy

şi pentru noul material se introduce curba B-H prin puncte (punctul 0,0 este implicit):

Electromagnetics, BH Curve

Obs: atenţie – ordinea de introducere pentru fiecare punct este H şi apoi B

Pentru magneţii permanenţi:

Edit > Copy

Electromagnetics, BH Curve

Obs.: este bine de urmărit graficele caracteristicilor specifice (mai ales cel cu miu) şi îndesirea lor în puncele cu variaţii mari ale pantei !!!

Verificarea materialelor introduse şi închiderea utilitarelor folosite se face în continuare cu succesiunea de comenzi:

Material > Exit

Utility Menu > List Properties > All Materials

File > Close

În toolbar: SAVE_DB

Generarea reţelei de discretizare

Definirea tipului de element de reţea şi a opţiunilor asociate acestuia

Pentru analiza 2D din cazul de faţă se alege elementul PLANE13 (un model cu un ordin de mărime mai redus – dacă se doreşte un model mai complicat se poate alege şi PLANE53) prin succesiunea:

Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete

se alege Add

se alege Magnetic Vector

se alege Vect Quad 4nod13 (PLANE13)

Specificarea mărimii elementelor reţelei în diferite regiuni şi constuirea reţelei

Operaţiile de formare a reţelei sunt foarte intuitive şi numeroatarea ne ajută foarte mult:

Utility Menu > PlotCtrls > Numbering -> Material numbers

Pentru a avea un control simplu se porneşte fereastra interactivă cu:

Main Menu > Preprocessor >MeshTool

În această etapă nu trebuie uitat că trebuie început cu asignarea atributelor de material suprafeţlor descrise (stabilirea zonelor de material) se alege din prima secţiune a MESHTOOL > Areas, Set for Element Attributes.

Mai departe se pot alege îndesiri pe linii sau arii ale reţelei (în zonele cu variaţie puternică a câmpului), tipul elementelor (triunghi, patrulater), etc. şi se generează în final pe toate ariile (doemniul de calcul) reţeaua de discretizare.

Tot în această etapă este bine să nu se uite că modelul trebuie scalat !!!

Aceasta se face (în cazul nostru – trecerea de la modeleul în mm la cel îm m -sistemul MKS) prin scalarea pe amble coordonate din plan cu factorul de scală .001:

Main Menu > Preprocessor > Operate > Scale > Areas

-> Pick All : RX=RY=.001 şi neapărat nu trebuie uitat a se seta Move pentru Existing area

În toolbar: SAVE_DB

Definirea sursei de excitaţie şi a condiţiilor de frontieră

La acest pas, în problema dată, trebuie aplicate pânzele de curent pe linii (caz 2D), cu semn schimbat, pe feţele laterale ale magenţilor permanenţi, de valoare egală cu câmpul coercitiv al acestora (caracteristica neliniară din cadranul doi este astfel translatată înapoi din origine).

Pentru a vizualiza liniile se execută:

Utility Menu > Plot > Areas

Si aplicarea excitaţei se face cu:

Main Menu > Preprocessor > Loads > Apply > Excitation > On Lines

În ceea ce priveşte celelalte condiţiile de froniteră, ele se aplică în acest caz astfel:

• condiţia de periodicitate:

Main Menu > Preprocessor > Loads > Apply >Periodic BC

şi aic se alege cuplarea liniilor (de fapt a planurilor) – în cazul de faţă plasate la 75, respectiv 105 grade în jurul originii sistemului de coorodnate cu valori antisimetrice ale potenţialului vector (care în cazul 2D are doar componenta normală la planul considerat).

Comanda se poate folosi şi direct, în linie de comandă, exemplul folosit în cazul modelării problemei din temă fiind:

PERBC2D 75, 105, .001, 0, 150, .001, 0, 0

• condiţia de potenţail infinit sau Neuman la frontiera exterioară a domeniului şi în plus trebuie stabilită valoarea zero a potenţialului în centrul rotorului (altfel apar unele erori în generarea matricilor):

Main Menu > Preprocessor > Loads > Apply > Magnetic potential> On Lines

şi

Main Menu > Preprocessor > Loads > Apply > Magnetic potential > On Nodes

În toolbar: SAVE_DB

Obtinerea solutiei

Dacă paşii de mai sus au fost parcurşi corect (definirea corectă a caracterisiticilor neliniare, atribuirea materialelor, condiţiilor de froniteră), etapa de procesare se iniţiază cu:

Main Menu > Solution > Solve curent LS

Bineînţeles că se pot seta diferite metode şi criterii de rezolvare a sistemului generat, dar din păcate lipseşte o documenaţie prea clară pentru a utiliza parametrii ce sunt puşi la dispoziţie. Oricum programul ştie să aleagă cea mai bună metodă şi de obicei soluţia problemei neliniare converge destul de rapid (câteva iteraţii).

Afisarea solutiei

În această etapă soluţia (repartiţia potenţailului magnetic vector) există în nodurile reţelei şi se pot opera diferite reprezentări grafice, pe care sunt evideţiate şi valorile extreme ale mărimii reprezentate:

Main Menu > General Postproc > Plot Results > 2D Flux Lines

Main Menu > General Postproc > Plot Results > Predefined Flux & gradient sau Mag. flux dens B.

Main Menu > General Postproc > Plot Results > Nodal Solu Flux & gradient sau BSUM

şi lista prelucrărilor posibile este destul de mare.

În toolbar: SAVE_DB

Model 3D

Modelul 3D se poate construi în acest caz foarte uşor.

Acţionând cu comanda:

Main Menu > Preprocessor > Operate > Extrude > Areas

se generează destul de simplu extrudarea suprafeţelor plane, în spaţiu, putându-se umrări şi efectele de la capătul maşinii electrice studiate.

Prin comanda de mai sus, corespunzător ariilor extrudate se crează automat volume corespunzătoare.

Singurele operaţii care sunt necesare în plus în acest caz sunt realegerea tipului de element pentru discretizare (de această dată 3D) asignarea materialelor pe volume şi generarea mesh-ului spaţial.

Bineînţeles că în acest complexiatea problemei creşte foarte mult (timp de calcul şi memorie).

SUCCES !!!