3. lecke példája

Állandó mágneses motor
Audi A3 Sportback e-tron hajtásláncának meghajtó egysége.	Állandó mágneses szinkron motor üzem közben. [Kattints a képre az animáció megtekintéséhez].
Oktató Marcsa Dániel (óraadó) Előadás: Kedd, 13:05 - 14:45 (D201), 14:50 - 15:35 (D105) Fogadóóra: egyeztetés alapján	További oktatók: - Fogadóóra: -.

A feladat célja

A hallgató megismerje a végeselem-módszer főbb lépéseit, mint a modell előkészítése (geometria elkészítése vagy importálása), anyagparaméterek, peremfeltételek és gerjesztés megadása egy időfüggő szimuláción keresztül. Elősegítse a villamos forgógépekben jelentkező jelenségek - zaj, rezgés, melegedés - forrásának megértését.

A feladat megoldásához szükséges ismeretek

• A végeselem-módszer lépései;
• Az időben változó mágneses térre vonatkozó elméleti ismeretek (anyagok definiálásához, gerjesztés megadásához);
• Alapvető ismeretek a villamos gépek működéséről.

A feladat megoldásának lépései

Az ANSYS Electronics Desktop elindítását követően a File

$$\to$$ Open almenü segítségével nyissuk meg a PM_Motor_Oktatas.aedt fájlt. Az ANSYS Maxwell használatához a Help menüje és a YouTube-on fellelhető videók sok segítséget nyújtanak.

A feladat definiálása

Ebben az esetben a feladat geometriája és a feladat definiálása előre elkészített. Ennek oka, a hosszadalmas beállítás elkerülése és az, hogy alapvetően a példa azt a célt szolgálja, hogy a nemkívánatos jelenségek forrásait (erő, veszteség) áttekintsük egy villamos forgógép példáján.

A futtatás előtt és közben röviden áttekintjük a feladat beállításait.

Fontos megjegyezni, hogy az előző két példa esetében az adaptív hálozó finomította a felbontást. Azonban időfüggő (tranziens) esetben nincs lehetőség az adaptív hálózó használatára, így nekünk kell előre definiálni a feladat felbontását különböző hálózási műveletekkel.

A megoldó beállítása, a szimuláció futtatása

A megoldónál definiálni kell az időtartomány végét, ameddig futtani szeretnénk a szimulációt, valamint az időlépést. Ennél a példánál 15 ms legyen az időtartomány vége (Stop time) és 0,05 ms az időlépés (Time step).

Az előző beállítások mellett még lehetőség van a nemlineáris maradékot (Nonlinear Residual) beállítani, de a példa esetében minden anyag lineár mágnesezési karakterisztikával rendelkezik. Ha szükséges itt lehet a direkt megoldó helyett bekapcsolni az iteratív megoldót, ahol szintén definiálni kell a leállási kritériumként szolgáló hibát (Relative Residual). Az adaptív hálósűrítés mellett, ennél a feladattípusnál lehetőség van magasabb fokú formafüggvények használatára (Use higher order shape functions), illetve ha szükséges a frekvenciasöprés (Frequency Sweep) tartományát és az ahhoz tartozó lépésközt.

Az eredmények kiértékelése

Az 1. lecke példájánál látott változókon (induktivitás, erő) túl meghatározhatjuk a vasdarabban, a tekercsben létrejövő veszteségeket. Ezek a mennyiségek a frekvencia függvényében (Frequency Sweep lehetősége) is vizsgálhatóak.

Az [ ANSYS Maxwell] automatikusan kiszámítja a veszteségeket a feladatban, azonban ha arra vagyunk kíváncsiak, egy-egy térrészben (pl. az öntöttvas rúdban) mekkora az örvényáram okozta veszteség, akkor azt nekünk kell kiszámolni a Calculator (Maxwell 3D

$$\to$$ Fields $$\to$$ Calculator...) segítségével. Az örvényáramú veszteség a következő összefüggéssel számítható

$$P_{ö} = \frac{1}{2}\int_{V} \vec{J}\cdot\vec{E}^{*}\,\text{d}V = \int_{V} \frac{\vec{J}\cdot\vec{J}^{*}}{2\sigma}\,\text{d}V$$ [W].

Azonban a fenti összefüggés helyett a Calculator-ban a következő lépéseket kell elvégezni

• Input $$\to$$ Quantity $$\to$$ OhmicLoss
• Input $$\to$$ Geometry $$\to$$ Itt kiválasztjuk a térfogatot, ahol számolni szeretnénk a veszteséget
• Scalar $$\to$$ $$\int$$ (Integrálás)
• Output $$\to$$ Eval

A térváltozók is megjeleníthetőek különböző formában erre mutat egy-egy példát a következő két ábra.

A tekercs körül kialakuló mágneses térerősség.	Az örvényáramú veszteség az öntöttvas rúd felületén.