научная статья по теме АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ANSYS MAXWELL Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ANSYS MAXWELL»

КОМПЛЕКСНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

УСТАНОВКИ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

INTEGRATED MODELING OF VERTICAL-AXIS

WIND TURBINES

Статья поступила в редакцию 23.10.14. Ред. per. № 2126 The article has entered in publishing office 23.10.14. Ed. reg. No. 2126

УДК 621.313.84

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ

ANSYS MAXWELL

1 2 A.C. Мартьянов , Н.И. Неустроев

Южно-Уральский государственный университет РФ 454080, Челябинск, пр. Ленина,76 тел./факс: (351) 267-98-94; 'e-mail: martyanov_as@mail.ru 2e-mail: neustroev.nikolai@mail.ru

doi: 10.15518/isjaee.2014.19.005

Заключение совета рецензентов: 29.10.14 Заключение совета экспертов: 05.11.14 Принято к публикации: 12.11.14

С развитием средств компьютерного моделирования и численных методов решения сложных аналитических задач у разработчика появляется все больше инструментов, пригодных для применения в повседневной практике. При этом часто довольно трудно определить наиболее эффективный путь решения поставленной задачи по причине недостаточной информации о возможностях того или иного программного пакета. Предлагаемая статья (предназначена про) описывает возможности программного комплекса ANSYS Maxwell в качестве инструмента для анализа вентильных электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов применительно к задаче проектирования электрического генератора для газотурбинной установки. Показано, что на рынке существует программный продукт, удовлетворяющий самым серьезным требованиям разработчика и исследователя, продемонстрированы различные возможности программного комплекса для определения и исследования характеристик вентильных электрических машин. Приведены результаты сравнения расчетов, выполненных с помощью программного комплекса и традиционных методик расчета по схемам замещения, демонстрирующие качество расчета описываемого программного комплекса, что подтверждает пригодность его для применения не только при проектировании электрических машин, но и при исследовании электромагнитных процессов в различных электромеханических устройствах.

Ключевые слова: ANSYS Maxwell, вентильная электрическая машина, анализ характеристик электрических машин, расчет вентильных электрических машин.

ANALYSIS OF ELECTROMECHANICAL SYSTEMS USING ANSYS MAXWELL

1 2 A.S. Martyanov , N.I. Neustroyev

South Ural State University, 76 Lenina Av., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation ph.: +7 (351) 267-98-94; 'e-mail: martyanov_as@mail.ru 2e-mail: neustroev.nikolai@mail.ru Referred 29 October 2014 Received in revised from 5 November 2014 Accepted 12 November 2014

Progress in the development of technique and methodology of mathematical modelling and numeric computation stimulates a rise of different scientific and engineering software. Meanwhile making a choice of proper software becomes more difficult because of wide possibilities supplied with the different software. This article describes ANSYS Maxwell software, which can be used to analyze different electromechanical systems including permanent magnet synchronous motors and generators which can be used in turbine engine power stations. This software calculates electromagnetic fields using finite element analysis that provides high-precision results. Presented a brief review of major software possibilities used to estimate performance and efficiency of electric generator for high-speed application. All

characteristics of examined machine were verified by calculation carried out according to well-known handmade calculation technique that allows recommending ANSYS Maxwell for researchers and engineers interested in having the modern and comfortable tool for electromagnetic calculations.

Keywords: ANSYS Maxwell, brushless DC motor, permanent magnet synchronous motor, finite element analysis, electromagnetic field calculation.

Мартьянов Андрей

Сергеевич Martyanov Andrey Sergeevich

Сведения об авторе: инженер кафедры электротехники и возобновляемых источников энергии Южно-Уральского государственного университета.

Образование: Южно-Уральский государственный университет, приборостроительный факультет в 1997 г. по специальности «Конструирование и производство радиоэлектронных средств».

Область научных интересов: возобновляемая энергетика, ветроэнергетические установки, системы генерации, преобразования и использования электрической энергии.

Публикации: более 20.

Information about the author: engineer of department of electricity and renewable energy at South Ural State University; involved in research and design of electric and electronic devices for small electric power stations.

Education: South Ural State University in 1997, Electronic Engineering faculty, department of Designing and Technology of Electronic Devices.

Area of researches: renewable energy, power electric and electronic, generation, distribution and utilization of electric power.

Publications: more than 20.

- С -'м1

Неустроев Николай

Игоревич Neustroyev Nikolay Igorevich

Сведения об авторе: студент ЮжноУральского государственного университета по специальности «Электромеханика и электромеханические системы» Образование: высшее.

Область научных интересов: электрические машины и др. электромеханические системы.

Information about the author: student of department of electric machines and electromechanical systems at South Ural State University.

Education: high school.

Area of researches: electric machines and other electromechanical systems.

с о

Введение

На сегодняшний день в условиях рынка остро стоят вопросы экономичности и скорости обработки вариантов решений в электромеханической промышленности, то есть требуется быстро и с минимальными затратами анализировать различные электромеханические системы [1]. При этом расчёт ручным способом по известным методикам [2,3] трудоемок и требует много времени. Целью данной статьи является знакомство читателя с современными способами анализа электромеханических систем на примере программного пакета для электромагнитных расчетов ANSYS Maxwell [4].

Типичным применением этого программного пакета может быть автоматизированный расчет электрических машин с заданными характеристиками [5], например, расчет электрического генератора для газотурбинной установки [6,7]. Изначально на рассмотрение было предложено 3 варианта электрических машин: асинхронный генератор и два вентильных генератора с постоянными магнитами, с радиальным магнитным потоком и аксиальным магнит-

ным потоком. По условиям прочности и по причине больших потерь в роторе был исключён асинхронный генератор [8,9]. Электрическая машина с аксиальным зазором [10] была также оставлена в качестве запасного варианта ввиду большой трудоёмкости, уникальности, трудности балансировки и, как следствие, дороговизны, однако, следует отметить, что при принятии соответствующих технических решений аксиальная машина конкурентоспособна. В качестве основного варианта благодаря высокой технологичности, простоте конструкции, отработанной методике производства, отсутствию необходимости токоподвода к вращающимся частям машины, несущественному воздействию реакции якоря [11,12] была выбрана радиальная машина.

Таким образом, была поставлена задача расчётного проектирования вентильного генератора с постоянными магнитами. Для исследования возможности ускорения расчета при одновременном повышении точности вычислений и, соответственно, повышения качества проектирования, использовалось современное программное обеспечение - в данном случае программный пакет ANSYS Maxwell [4].

N

Описание возможностей ANSYS Maxwell для анализа вентильных электрических машин

Этот набор программ предназначен для моделирования электромагнитных полей при проектировании и исследовании моделей двигателей, датчиков, трансформаторов и других электрических и электромеханических устройств различного применения. ANSYS Maxwell построен на основных уравнениях Максвелла и для расчетов использует метод конечных элементов Finite Element Method (FEM), что позволяет рассчитывать электромагнитные и электрические поля, а также переходные процессы в полевых задачах.

В пакете программ имеется большая библиотека шаблонов известных электрических машин. В этих шаблонах достаточно ввести основные геометриче-

ские размеры, материалы, предполагаемые к использованию, и по этим исходным данным выполнить расчет характеристик исследуемой электрической машины. Есть возможность расчета и анализа на трёх различных уровнях:

- ускоренный анализ по схемам замещения;

- расчет методом конечных элементов в двумерной постановке задачи;

- расчет методом конечных элементов в трехмерной постановке задачи.

На последних двух уровнях существует возможность решения магнитостатической задачи, динамической задачи, есть возможность подключения электрической схемы системы, как изображено на рисунке 1, а значит, есть возможность анализа работы электрической машины при подключении полупроводниковой техники, различной нагрузки и т.д.

Рис. 1. Пример подключения электрической схемы к общему анализу электромеханического преобразователя Fig. 1. Attachment an external circuit diagram to electromagnetic analysis

Кроме того, имеется возможность ознакомиться с различными осциллограммами, как показано на рисунке 2, увидеть величину индукции, картину путей замыкания силовых линий потока, как показано на

рисунке 3, произвести расчёт магнитных, электрических потерь, а также потерь, вызванных генерацией вихревых токов в магнитопроводных частях системы.

Рис. 2. Осциллограммы токов в обмотках, полученные в программе ANSYS Maxwell Fig. 2. Diagram of currents in windings calculated in ANSYS Maxwell software

Рис. 3. Силовые линии магнитного поля с учётом реакции якоря Fig. 3. Magnetic field streamlines of cogging torque in the alternator

дикам [2, 3]. В ходе проверки были рассчитаны магнитная цепь и потери в электрической машине, построены рабочие характеристики и осциллограммы напряжений и токов идеализированной системы. С целью наглядности результаты расчёта сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Сравнение результатов расчетов, вы

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Комплексное изучение отдельных стран и регионов»