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Simulation von elektromagnetischen Feldern mit ANSYS Maxwell

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​Egal, ob es sich um Linearantriebe für die Automatisierungstechnik, Aktuatoren und Kupplungen für Automotive-Anwendungen oder das kabellose Laden für die E-Mobilität, Weichen und Klappen für Sortiersysteme oder auch Permanentmagnet-Bremsen zur Pitch-Regelung der Rotorblätter für Windkraftanlagen handelt: Die Entwicklung all dieser Aktuatoren ist nur simulativ sicher beherrschbar. Dieses Seminar stellt die Möglichkeiten der Simulation elektromagnetischer Komponenten mit ANSYS Maxwell dar.

ZIELGRUPPE

Projekt- und ​Entwicklungsingenieure der Elektromagnetik, wissenschaftliches Personal und Studenten mit vergleichbaren Aufgaben, die das Ziel verfolgen, sich auf effizientem Weg anwendungsbereites, praxisrelevantes Wissen zu ANSYS Maxwell anzueignen.

IHR NUTZEN

Elektromagnetische Wechseleffekte (z.B. Dämpfungen durch Wirbelströme) oder Nichtlinearitäten (z.B. Sättigung) erschweren das Systemverständnis auf analytischer Basis. Im Seminar lernen Sie unter anderem am Beispiel eines Lasthebemagneten alle nötigen Vorgehensweisen für eine genaue und schnelle Lösung elektromagnetischer Aufgaben, um diese anschließend auf Ihr eigenes Modell umsetzen zu können.

Agenda

Tag 1

M1: "Notwendige" Theorie und Überblick

  • ​Wo finden wir die Maxwellschen Gleichungen in ANSYS Maxwell wieder?
  • Herangehensweise an die Diskretisierung - Erzeugung finiter Elemente
  • Essentielles Preprozessing in Maxwell
  • Die Löser in Maxwell
    • nach der Dimension der  Geometrie  
    • nach den elektromagnetischen Feldeigenschaften
  • Wo finde ich Hilfe, wenn es klemmt?

M2: Modellierung und Vernetzung

  • Modellaufbau direkt in Maxwell
  • CAD-Verbindung Maxwell - SpaceClaim Direct Modeler
  • Modell-Import aus anderen CAD-Systemen
  • Umgang mit segmentierter Geometrie
  • Geometrie-Orientierung und Koordinatensysteme
  • Bottom-up und Top-down Strategie
  • Boolsche Objekt-Verknüpfungen
  • Regeln der Geometrie-Modellierung
  • Mesh-Prozess in Maxwell
  • Iterative Mesh-Verfeinerung
  • Praxistipps für die Vernetzung
  • Workshop Bidirektionale SpaceClaim-Verbindung mit Parameterübergabe
  • Workshop Elektrostatik: Zylinderkondensator - Vergleich Analytik und Simulation

M3: Werkzeuge zur Auswertung

  • Lösungs-Informationen nach einer Simulation
  • Konvergenzkontrolle: Wie gut ist die Lösung?
  • Darstellung der Feldgrößen: Skalar-und Vektorplots in Ebene und Raum
  • Schnitt-Darstellungen von Feldverteilungen
  • Export/Import von Feldplots
  • Field-Calculator: Für benutzerdefinierte Ergebnisse
  • Nutzung des Expression Caches
  • Animation von parametrischen und zeitlichen Feldverläufen
  • 3D-Plots
  • Report über eine Simulation
  • Workshop Abschirmung eines Hochspannungs-kabels: Berechnung der Normal- und Tangential-Komponente der elektrischen Feldstärke
  • Demo PM-Synchronmotor: Auswertung von Feldkomponenten entlang eines Pfades

M4: Rechnung von Varianten - Analysieren von Abhängigkeiten

  • Möglichkeiten der Parametrisierung
  • Geometrie-Variationen 
  • Variationen der Erregungen
  • Parametrisches Setup
  • Workshop Solenoid Parametric: Geometrie- und Erregungsvariation
  • Material-Variationen
  • Variationen der Frequenz
  • Programmtechnische Mittel für diese Variationen
    • HPC (High Performance Computing)
    • DSO (Distributed Solve Option)
  • Analysieren von Abhängigkeiten: Design of Expe-riments
  • Demo Design of Experiments (DOE):  DOE DC-Motor

Tag 2

M5: Magnetische Materialien in Maxwell

  • Modellierung ferromagnetischer Materialien: linear und nichtlinear
  • BH-Kurven: Woher und wie in den Material-manager eingefügt?
  • Workshop Sheet Scan: Übertragen einer gescannten B-H-Kennlinie in ein Datenfile
  • Laminierte Materialien: Einbindung in Maxwell 2D und 3D
  • Permanentmagnete (PM)
    • Linear und nichtlinear
    • Orientierungsfestlegung
  • Demo Magnet Skew: Schraubenförmige Magnetisierung
  • Einbeziehung der Temperaturabhängigkeit
  • Workshop Temperature dependent PM
  • Verwaltung der Materialbibliothek

M6: Simulation statischer Magnetfelder in Maxwell

  • ​Modellierung elektrischer Quellen
  • Randbedingungen: Zweck und Definition
  • Berechnete Größen
    • Magnetische Feldenergie
    • Induktivitäten
    • Kraft/Moment: Lorentz- und  virtuelle Kraft, Maxwellscher Spannungstensor   
  • Konvergenz-Auswertung in nichtlinearer Analyse
  • Workshop Permanentmagnet-Bremse

M7: Stationäre Wirbelstromaufgaben

  • ​Anwendungen: Spulen, Transformatoren, Berührungsloses Batterieladen
  • Gleichungen und Lösungsprozedur
  • Quellen und Randbedingungen
  • Auswertung Stromdichteverteilungen
  • Angepasstes Meshen für Skin- und Proximity-Effekt
  • Workshop Kupferstab: Skintiefenbasiertes Vernetzen
  • Lineare und nichtlineare Impedance Boundary
  • Insulation Boundary (M3D)
  • Berechnung von Surface Loss Densities und Temperaturen
  • Workshop Transformator im Ölbad
  • Permeability-Link: Wie funktioniert er und wozu wird er benötigt?
  • Demo Ringkern mit Luftspalt

M8: Integration von elektrischen Schaltungen

  • ​Schaltungseditor verschaltet die Wicklungen
  • Komponentenbibliothek des Schaltungseditors
  • Parametrisierung im Schaltungseditor
  • Berechnung der Eisen-Verluste (Eddy Current- und Transient Solver)
    • Anwendung des Steinmetz-Modells
    • Anwendung des Hysterese-Modells
  • Workshop Drei-Phasen-Transformator mit externer Schaltung: Eisenverlustberechnung
  • ECE-Modelle: (Equivalent Circuit Extraction)
    • Aufgabe und Struktur dieser Modelle
    • Die ECE-Modelle im Schaltungseditor
  • Workshop Drei-Phasen-Transformator ECE-Modell: Erzeugung eines Verhaltens-modells für Simplorer

Tag 3

M9: Schaltungsmodellierung in Simplorer

  • ​Simplorer und seine Aufgabe im ANSYS Portfolio
  • Grundbestandteile und Möglichkeiten von Simplorer
  • Simplorer im Vergleich zum Maxwell Schaltungseditor
  • Simplorer kann mehr als „Steuern und Regeln“
  • ECE–Import aus Maxwell
  • Workshop Drei-Phasen-Transformator ECE-Modell: Verwendung des erzeugten ECE-Modell in Simplorer
  • Co-Simulation Simplorer mit Maxwell
  • Maxwell Eddy Current Dynamic Coupling Component in Simplorer
  • Workshop Induktives Laden

M10: Transiente Elektromagnetische Analysen

  • ​Transiente Maxwell-Gleichungen
  • Sinus/Cosinus-Definitionen für die Quellen
  • Wokkshop Basic Transient Sources & Circuit
  • Datensätze für zeit-, weg- oder geschwindigkeitsabhängige Signale beliebiger Form
  • Regeln für das Meshing im Transienten
  • Mesh-Link aus statischen Simulationen
  • Demo MeshLink Magnetostatic-Transient
  • Solver Settings
  • Beschleunigung der Simulation durch TDM: Time Domain Decomposition
  • Ausgabedaten, Expression Cache
  • Verzögerung der Feldausbreitung durch Feld-Diffusion
  • Demo Field-Diffusion-Time

M11: Abbildung mechanischer Bewegungen

  • ​Bewegungsformen und ihre Definition
    • Translation (+ Periodic)
    • Rotation (+ Non Cylindrical)
  • Geometrisches Setup: Bewegte Teile - Bandobjekt
  • Mesh-Regeln für Translation und Rotation
  • Was ist „Clicking Mesh“ und wozu dient es?
  • Demo Brushless AC-Motor und Clicking Mesh
  • Workshop Solenoid Transient Start
  • Exzentrizität: Nutzung eines ACT (ANSYS Custo-mization Toolkit)
  • Demo Exzentrizitätsuntersuchung an einem  Brushless PM-DC-Motor

M12: Maxwell-Kopplungen und Co-Simulation

  • ANSYS-Maxwell Link zu ANSYS Workbench
    • Thermisch
    • Mechanisch
    • Feedback-Iterator
  • Demo Vibrationsanalyse an einem Synchronen Reluktanzmotor
  • Demo Erwärmung einer Spule
  • Reduzierte Modelle (ROM)
  • Demo Relais als reduziertes Modell
  • Transient-Transient Link ANSYS Maxwell - ANSYS Simplorer
  • Demo Solenoid
  • Zusammenfassung und Ausblick