Symulacje komputerowe pozwalają na przewidywanie zachowań tych urządzeń jeszcze na etapie projektowania, co znacząco redukuje koszty oraz czas potrzebny na rozwój i optymalizację.
W tym kontekście oprogramowanie do symulacji elektromagnetycznych i wielofizycznych odgrywa kluczową rolę. Pozwala ono na realistyczne modelowanie pól magnetycznych i elektrycznych, ich wzajemnych oddziaływań oraz sprzężeń z innymi zjawiskami fizycznymi, jak przewodzenie ciepła czy drgania mechaniczne. Dzięki temu inżynierowie mogą projektować bardziej efektywne i niezawodne urządzenia, a także przewidywać potencjalne problemy wynikające ze złożonych interakcji fizycznych.
Altair, jako wiodący dostawca rozwiązań symulacyjnych, oferuje zestaw narzędzi dedykowanych do tych zadań. W skład tego zestawu wchodzą:
- Flux– narzędzie do precyzyjnych symulacji elektromagnetycznych i termicznych, które pozwala realistycznie modelować pola magnetyczne, prądy i straty cieplne w maszynach elektrycznych oraz innych komponentach, zarówno w 2D, jak i 3D,
- FluxMotor– narzędzie do szybkiego prototypowania i wstępnej analizy wydajności maszyn elektrycznych, umożliwiające szybkie porównanie różnych konfiguracji i optymalizację parametrów,
- SimLab– zintegrowane środowisko do symulacji wielofizycznych, które łączy elektromagnetyzm, mechanikę, termikę i akustykę, wspierając kompleksową analizę całych systemów i maszyn. Integruje w sobie różne solver-y, w tym Flux,
- Feko– specjalistyczne oprogramowanie do symulacji fal radiowych, anten i zakłóceń elektromagnetycznych.
Dzięki integracji tych narzędzi użytkownicy uzyskują dostęp do środowiska umożliwiającego symulacje wielopoziomowe, uwzględniające różne dziedziny fizyki- elektromagnetyzm, termikę, mechanikę i akustykę, co pozwala na dokładną analizę sprzężeń wielofizycznych i optymalizację konstrukcji nowoczesnych urządzeń elektromechanicznych.
Altair Flux- narzędzie do symulacji elektromagnetycznych i termicznych
Flux to zaawansowane oprogramowanie do symulacji metodą elementów skończonych (FEM), stworzone z myślą o analizie elektromagnetycznej i termicznej urządzeń działających w niskich częstotliwościach. Dzięki możliwości pracy zarówno w 2D, jak i 3D, Flux pozwala na dokładne modelowanie pól magnetycznych i elektrycznych, znajdując zastosowanie zarówno w projektowaniu elementów niskopoziomowych, jak i w badaniu złożonych urządzeń przemysłowych oraz układów napędowych.
Kluczowe cechy Flux:
- Symulacje 2D i 3D: Flux obsługuje zarówno dwuwymiarowe, jak i trójwymiarowe modele, co pozwala na dostosowanie szczegółowości analizy do potrzeb projektu. Wiele przypadków można wstępnie zanalizować szybko w 2D, natomiast pełne, precyzyjne analizy przeprowadzić w 3D.
- Moduł Flux Skew: Dedykowany do analizy maszyn elektrycznych z uwzględnieniem efektów skosu (odchylenia uzwojeń), co ma kluczowe znaczenie w realistycznym odwzorowaniu działania wirników i stojanów maszyn.
- Obsługa materiałów liniowych i nieliniowych: Flux potrafi symulować materiały ferromagnetyczne, uwzględniając histerezę i nieliniowości charakterystyczne dla rdzeni maszyn.
- Sprzężenie z obwodami elektrycznymi i kinematyką: Możliwość uwzględniania źródeł zasilania (np. obwody prądu stałego) oraz ruchu elementów (obroty, przesunięcia), co pozwala na analizę rzeczywistych warunków pracy maszyn elektrycznych.
- Uwzględnianie obszaru powietrza: Przy symulacjach elektromagnetycznych istotne jest, aby uwzględnić otaczające powietrze, które wpływa na rozkład pola magnetycznego i rozproszenia energii.
Metoda elementów skończonych w Flux
Flux wykorzystuje metodą elementów skończonych (FEM) do rozwiązania równań Maxwella dla pól elektromagnetycznych przy niskich częstotliwościach. Pole elektromagnetyczne jest dyskretyzowane na małe elementy skończone (np. trójkąty w 2D, czworościany w 3D), co umożliwia uzyskanie przybliżonych rozwiązań w skomplikowanych geometrach.
Generowanie siatki jest kluczowym etapem przygotowania modelu do analizy metodą elementów skończonych (FEM). Flux oferuje różne algorytmy do tworzenia siatek, umożliwiając dostosowanie do specyfiki analizowanego układu. Flux udostępnia dwa generatory do automatycznego tworzenia siatki woluminów jak ASML Mesher oraz Delaunay Mesher.
FluxMotor- szybkie prognozy wydajności maszyn elektrycznych
FluxMotor to specjalistyczne oprogramowanie dedykowane projektowaniu i wstępnej analizie silników elektrycznych. FluxMotor skupia się na szybkim dostępie do kluczowych parametrów i wydajności maszyn, umożliwiając inżynierom eksplorację różnych konfiguracji konstrukcyjnych i szybkie podejmowanie decyzji.
Główne możliwości FluxMotor:
- Szybka analiza i porównanie konfiguracji: Pozwala na tworzenie i porównywanie różnych wariantów maszyny elektrycznej w krótkim czasie, co jest szczególnie przydatne na etapie koncepcyjnym projektu.
- Multiphysics: FluxMotor uwzględnia różne aspekty fizyczne pracy maszyny- elektryczne, magnetyczne, mechaniczne i termiczne, co pozwala na realistyczną ocenę możliwości konstrukcji.
- Przemyślany interfejs: Intuicyjne środowisko pracy umożliwia szybkie wprowadzanie parametrów geometrycznych i elektrycznych, a także wizualizację rezultatów, takich jak straty, moment obrotowy, prądy czy rozkład pola magnetycznego.
- Optymalizacja: Przewiduje wydajność maszyny w kilku punktach roboczych lub w całym cyklu pracy, aby spełnić wymagania wielofizyczne.
- Integracja z Flux: Możliwe jest przeniesienie projektów z FluxMotor do Flux, aby przeprowadzić bardziej szczegółowe i precyzyjne symulacje.
Dzięki skoncentrowaniu na szybkości i łatwości obsługi, FluxMotor jest idealnym narzędziem dla zespołów projektowych, które potrzebują szybkiego feedbacku i możliwości sprawdzenia różnych scenariuszy bez konieczności tworzenia skomplikowanych modeli 3D. Umożliwia to skrócenie cyklu rozwoju produktu i zmniejszenie kosztów prototypowania.
4. SimLab- środowisko do wielofizycznych symulacji zintegrowane z Flux
SimLab to zaawansowane, procesowe środowisko symulacyjne, które umożliwia inżynierom analizę złożonych systemów i zespołów w wielu dziedzinach fizyki. SimLab łączy w sobie łatwość przygotowania modeli oraz integrację różnych dziedzin symulacji, takich jak elektromagnetyzm, mechanika strukturalna, akustyka, termika czy dynamika płynów.
Kluczowe cechy SimLab:
- Procesowe podejście do symulacji: SimLab automatyzuje powtarzalne zadania i standaryzuje proces przygotowania symulacji, co pozwala na szybsze i bardziej powtarzalne analizy.
- Multidyscyplinarność: Środowisko wspiera szeroki zakres dziedzin fizyki- elektromagnetyzm (z wykorzystaniem Flux jako solvera), analizę strukturalną i akustyczną (OptiStruct), oraz termikę i przepływy CFD (AcuSolve). Dzięki temu możliwa jest analiza wielofizyczna w jednym, zintegrowanym środowisku.
- Obsługa skomplikowanych geometrii: SimLab jest zoptymalizowany do pracy z bardzo złożonymi, trójwymiarowymi modelami CAD, co znacznie ułatwia tworzenie wirtualnych prototypów maszyn i systemów.
- Możliwość sprzężenia rozwiązań: W SimLab można łatwo połączyć wyniki różnych analiz (np. elektromagnetycznej z termiczną i mechaniczną), co jest szczególnie ważne przy projektowaniu maszn elektrycznych, gdzie pola elektromagnetyczne wpływają na temperaturę i drgania.
- Projektowanie eksperymentów i optymalizacja: SimLab oferuje narzędzia do automatyzacji analiz parametrycznych i optymalizacji, co pozwala na systematyczne badanie wpływu zmian konstrukcyjnych na zachowanie całego systemu.
Przykładowe zastosowania symulacji elektromagnetycznych w praktyce
W środowisku SimLab dostępne są trzy podstawowe podejścia do symulacji elektromagnetycznych maszyn elektrycznych: modelowanie 2D, 3D oraz tryb skew. Każde z tych podejść ma swoje unikalne zalety i ograniczenia, które należy uwzględnić podczas wyboru metody analizy, w zależności od wymagań projektu oraz dostępnych zasobów obliczeniowych.
Modelowanie 2D
Modelowanie dwuwymiarowe opiera się na przekrojach poprzecznych maszyny, co pozwala na szybką i efektywną symulację rozkładu pola magnetycznego w płaszczyźnie. Jest to metoda charakteryzująca się bardzo szybkim czasem obliczeń oraz niewielkimi wymaganiami sprzętowymi, dzięki czemu idealnie nadaje się do wstępnych analiz oraz eksploracji różnych wariantów konstrukcji. Metoda ta nie uwzględnia efektów przestrzennych, takich jak wpływ końcówek uzwojeń czy zjawisk związanych z odchyleniem wirnika (skew), co może prowadzić do niedoszacowania strat czy momentów wynikających z trójwymiarowych efektów.
Modelowanie 3D
Symulacje trójwymiarowe odwzorowują geometrię maszyny w pełnym wymiarze przestrzennym, co pozwala na uwzględnienie wszystkich zjawisk związanych z końcówkami uzwojeń, przestrzennym rozkładem pola magnetycznego oraz niejednorodnościami konstrukcji. Metoda ta zapewnia najdokładniejsze odwzorowanie rzeczywistych zjawisk i pozwala na analizę nawet najbardziej skomplikowanych konstrukcji oraz niestandardowych rozwiązań. Z drugiej strony, symulacje 3D wymagają znacznych zasobów obliczeniowych, dłuższego czasu obliczeń oraz specjalistycznej wiedzy do przygotowania modeli i interpretacji wyników.
Tryb Skew
Tryb skew to specjalna metoda umożliwiająca uwzględnienie efektu odchylenia wirnika lub stojana bez konieczności przeprowadzania pełnej symulacji 3D. Pozwala na modelowanie geometrycznych i fizycznych skutków odchylenia w 2D, oferując przybliżoną, ale skuteczną analizę zjawisk. Ta metoda stanowi kompromis między dokładnością a szybkością obliczeń- jest szybsza niż pełne modele 3D, a jednocześnie dokładniejsza niż tradycyjne 2D, pozwalając uwzględnić efekty, które wpływają na redukcję drgań i hałasu. Jednak nie obejmuje efektów końcowych uzwojeń i jest metodą przybliżoną, która może nie oddać wszystkich szczegółów fizycznych.
Wybór metody
Wybór odpowiedniej metody symulacji zależy przede wszystkim od etapu projektu, celu analizy oraz dostępnych zasobów:
- Faza koncepcyjna: Modele 2D lub tryb skew są najlepsze, ponieważ pozwalają szybko ocenić wiele wariantów.
- Faza szczegółowa: Modele 3D są konieczne do precyzyjnej analizy, szczególnie gdy ważne są efekty przestrzenne i dokładność wyników.
- Optymalizacja kosztów i czasu: Tryb skew stanowi efektywny kompromis między precyzją a szybkością symulacji.
Proces analizy silników elektrycznych w SimLab
Proces analizy silników w SimLab przebiega w kilku kluczowych etapach, które pozwalają na pełne zrozumienie zachowania maszyny oraz optymalizację jej parametrów.
1. Przygotowanie modelu CAD
Pierwszym krokiem jest zaimportowanie lub stworzenie modelu geometrycznego silnika elektrycznego. SimLab oferuje intuicyjne narzędzia do obsługi skomplikowanych geometrii, umożliwiając prostą obróbkę i przygotowanie modelu do analizy.
2. Definicja właściwości materiałowych i fizycznych
W kolejnym kroku należy zdefiniować właściwości materiałów użytych w konstrukcji silnika (np. paramagnetyczność, przewodność elektryczna, przewodzenie ciepła). SimLab pozwala na ustawienie zarówno materiałów liniowych, jak i nieliniowych, co jest istotne w symulacjach elektromagnetycznych i termicznych.
3. Określenie warunków brzegowych i obciążeń
Na tym etapie definiuje się źródła zasilania, prędkość obrotową, obciążenia mechaniczne oraz inne warunki brzegowe, które odzwierciedlają rzeczywiste warunki pracy silnika. Możliwe jest również uwzględnienie ruchu elementów (obrót, przesuwanie).
4. Generowanie siatki elementów skończonych
Po zdefiniowaniu warunków pracy i materiałów, kolejnym krokiem jest wygenerowanie siatki elementów skończonych, która przekształca model CAD w postać nadającą się do obliczeń numerycznych.
SimLab umożliwia zarówno automatyczne, jak i kontrolowane ręcznie siatkowanie z zastosowaniem elementów 2D (np. Tri3, Tri6, Quad4) oraz 3D (np. Tet4, Tet10).
5. Przeprowadzenie symulacji elektromagnetycznej
Symulacja elektromagnetyczna opiera się na rozwiązaniu równań Maxwella w obszarze modelu. SimLab, korzystając z solvera Flux, analizuje rozkład pola magnetycznego, indukcji, momentów obrotowych oraz strat energii w silniku.
6. Analiza termiczna i akustyczna
Dzięki integracji z solverami termicznymi (np. AcuSolve) i akustycznymi (OptiStruct), SimLab umożliwia ocenę chłodzenia, rozkładu temperatury oraz analizy hałasu i drgań silnika podczas pracy. To istotne aspekty wpływające na trwałość i komfort użytkowania.
7. Optymalizacja i iteracje projektowe
W SimLab możliwe jest przeprowadzenie badań optymalizacyjnych oraz Design of Experiments (DOE), co pozwala na automatyczne dopasowanie parametrów konstrukcyjnych silnika, takich jak liczba zwojów, materiały, czy geometria, w celu uzyskania lepszych właściwości pracy.
8. Raportowanie i wizualizacja wyników
Na koniec procesu symulacyjnego SimLab generuje szczegółowe raporty oraz wizualizacje rozkładów pola, temperatury, naprężeń i innych parametrów, ułatwiając inżynierom interpretację wyników i podejmowanie świadomych decyzji projektowych.
Podsumowanie
W dzisiejszych czasach, gdy rozwój technologii elektromobilności oraz skomplikowanych systemów elektrycznych postępuje bardzo dynamicznie, precyzyjne i efektywne narzędzia do symulacji elektromagnetycznych są niezbędne w procesie projektowania i optymalizacji maszyn elektrycznych. Altair oferuje kompleksowy zestaw oprogramowania, który wspiera inżynierów na każdym etapie tworzenia urządzeń- od wstępnej analizy po finalne testy. Flux pozwala na dokładne symulacje elektromagnetyczne i termiczne w 2D i 3D, uwzględniając także efekty odchylenia wirnika lub stojana dzięki modułowi Flux Skew. FluxMotor umożliwia szybkie badanie różnych konfiguracji silników elektrycznych, jednocześnie optymalizując ich wielofizyczne parametry, takie jak chłodzenie czy redukcja hałasu i drgań. SimLab integruje różne dziedziny symulacji w jednym środowisku, pozwalając na połączenie analiz elektromagnetycznych, strukturalnych, termicznych i akustycznych, co pozwala na realistyczne odwzorowanie zachowania maszyn w rzeczywistych warunkach. Feko z kolei wspiera symulacje wysokoczęstotliwościowe, istotne przy projektowaniu anten, analizie interferencji i planowaniu systemów komunikacyjnych. Dzięki temu zestawowi narzędzi możliwe jest znaczące skrócenie czasu projektowania, podniesienie jakości oraz niezawodności urządzeń. Wybór metody symulacji- czy to szybkie i efektywne 2D, dokładne 3D, czy kompromisowy tryb skew- powinien być dostosowany do konkretnych wymagań projektu i dostępnych zasobów. Wczesne uwzględnienie wymagań wielofizycznych przekłada się na optymalizację kosztów, zwiększenie efektywności energetycznej oraz trwałości maszyn. Podsumowując, korzystanie z zaawansowanych narzędzi symulacyjnych Altair jest dziś kluczowym elementem nowoczesnego procesu inżynierskiego, umożliwiającym tworzenie innowacyjnych, wydajnych i niezawodnych maszyn elektrycznych oraz systemów elektromagnetycznych.
