3. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению

Для выполнения лабораторной задания требуется получить вариант задания у преподавателя и провести электромагнитный анализ катушки индуктивности в программном комплексе ANSYS

Номер варианта	Внешний радиус катушки, мм	Внутренний радиус катушки, мм	Диаметр ферритового сердечника, мм	Коли-чество витков	Коэф. запол-нения	Частота, Гц
1	25	15	10	400	0,7	1000
2	25	15	10	400	0,7	3000
3	25	10	5	400	0,7	3000
4	20	10	5	300	0,8	2000
5	20	10	5	600	0,8	1000

Все остальные параметры для моделирования идентичные параметрам указанным в примере.

Условие задачи: дана катушка индуктивности с размерами внутренний радиус 10 мм, внешний радиус катушки 20мм, высота 10мм, диаметр ферритового сердечника 5мм. Относительная магнитная проницаемость сердечника равна 1. Катушка 3 (рисунок 1) намотана на каркас 4 из пластмассы с диэлектрической проницаемостью раной 2,3 и относительной магнитной проницаемостью равной 1. Катушка содержит 500 витков провода (=3*10^-8 Ом/м), коэффициент заполнения равен 0,9. В катушке протекает ток 1 ампер, напряжением 50 В и частотой 1000 Гц. Относительная магнитная проницаемость катушки и воздуха равно 1.

Проведем 2D моделирование катушки учитывая ее симметричность.

Задание типа элементов: для воздуха, каркаса и сердечника будет использоваться элемент PLANE 53 – это плоский элемент второго порядка, имеет 8 узлов, для моделирования затухания поля на бесконечности – элемент INFIN110. Для разбиения площади сечения катушки используется элемент PLANE53 с применением степеней свободы – ток и Z-составляющая векторного магнитного потенциала.

Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete, нажмите на Add и выберите из раздела MagneticVector элемент Vect Quad 8nod53 нажмите на Apply два раза. Из раздела Infinite Boundary выберите элемент 2D Inf Quad 110 нажмите ОК. Поочередно для каждого материала нажимите Options и в разделе Element Behavior выберите поле Axisymmetric, для элемента 2 в разделе Element degrees of freedom выберите AZ CURR. Закройте окно Library of Element Types, нажмите close.[7]

Установка системы измерения:

Main Menu> Preprocessor> Material Props> Electromag Units, выберите «MKS system», нажмите ОК.

Задание свойств материалов:

Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models в окне Material Models Available выберите Electromagnetics>Relative Permeability>Constan (двойным щелчком ЛК мыши). В разделе MURX (относительная магнитная проницаемость) установите 1 нажмите OK. В меню Material > New material номер материала 2 нажмите ОК. По аналогии задайте MURX =1 и RSVX (удельное сопротивление) = 3.0E-08 (Electromagnetics> >Resistivity >Constant). Задаем свойства сердечника, выберите материал №1, далее меню Material > New material номер материала 3, ОК, двойным щелчком по Material Model Number 3 и по Permeability, установите MURX =1000. Для материала каркаса проводим аналогичные операции Material > New material номер материала 4, MURX =1 и выберите диэлектрическую проницаемость Electromagnetics>Relative Permittivity>Constan, PERX=2.3 Нажмите ОК. Закройте окно Define material model behavior.[2]

Далее необходимо создать области моделирования, но прежде установим скалярные параметры Utility Menu> Parameters> Scalar Parameters, в поле selection наберите S = .02 и нажмите Aсcept, аналогично N=500. Закройте окно, Close.

Создание областей (рис. 2):

Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Rectangle> By Dimensions, создаем область катушки 4 (рисунок 1а) в виде прямоугольника с координатами X: 2*s, 4*s; Y: s/2, 3*s/2.

Нажмите Apply, и аналогично создайте область сердечника 3 (рисунок 1а)

X: 0 , 1.5*s; Y: 0 , 5*s/4. Нажмите ОК.

Создание областей 1 и 2 (рисунок 2) сегменты круга, имитирующих внешнюю среду (воздух):

Main Menu > Prepocessor > Modeling >Create > Areas>Circle > By Dimensions

RAD1 : 6*s ; Theta1 : 0 ; Theta2 : 90.

Нажмите Apply

RAD1 : 12*s ; Theta1 : 0 ; Theta2 : 90.

Нажмите ОК.

Рис. 2. Модель катушки и внешней среды

Создание области каркаса 5 катушки. Создаем точки:

Main Menu > Prepocessor > Modeling >Create >Keypoints > In active CS

X : 1.5*s ; Y : 2*s ; Z : 0.

X : 1.5*s ; Y : 0 ; Z : 0.

X : 2*s ; Y : 2*s ; Z : 0.

X : 4.5*s ; Y : 0 ; Z : 0.

X : 4.5*s ; Y : s/2 ; Z : 0.

X : 1.5*s ; Y : 2*s ; Z : 0.

По точкам создаем линии:

Main Menu > Prepocessor > Modeling > Create >Lines > Straight Line, мышью выбираем точку и проводим линию до другой точки, таким образом чтобы образовался контур (6 линий) фигуры 5. Далее по линиям создаем плоскость

Main Menu > Prepocessor > Modeling > Create >Area > Arbitrary > By Lines, выбираем 6 линии подряд данного контура, нажимаем ОК.

Разделение областей (удаление перекрытия площадей):

Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Overlap> Areas. Нажимаем Pick All. Далее включим нумерацию плоскостей:

Utility Menu> PlotCtrls> Numbering. Устанавливаем галочку напротив надписи «Area numbers» и ОК.[1]

Назначение материалов для областей:

Main Menu > Prepocessor >Meshing Attributes > Picked Areas

Выберите Область 4 (катушка) для этого нажмите на А1 на изображении. Нажмите Apply. Выберите материал №2 в поле “Material number”. Выберите тип элемента №2 в поле "Element type number". Нажмите Apply.

Далее назначим материал для области 1 (внешняя окружность), выберите область А6 на изображении. Нажмите Apply. Аналогично предыдущему выберите материал №1, выберите тип элемента №3. Нажмите Apply.

Назначим материал и тип элемента для области 2 (внут.окр), нажмите на А8 на изображении. Нажмите Apply, выберите материал №1, выберите тип элемента №1.

Нажмите Apply.

Выберите область 5 (каркас), нажмите А7 на изображении. Нажмите ОК. Выбрать материал №4 и тип элемента №1. Нажмите ОК.

Выберите область 3 (сердечник), нажмите А2 на изображении. Нажмите ОК. Выбрать материал №3 и тип элемента №1. Нажмите ОК.[3]

Разбиение на конечные элементы (Рисунок 3).

Поменяйте активную координатную систему с прямоугольной на цилиндрическую

Utility Menu > WorkPlane > Change active CS to > Global Cilindrical

Выделите боковые границы «воздушной» области, имитирующей бесконечность

Utility Menu > Select > Entities. Выберите Lines и By Location. Установите в поле MIN,MAX значение 9*s нажмите ОК.

Далее воспользуемся панелью «инструменты сетки»:

Main Menu> Preprocessor> Meshing> MeshTool. Зададим количество разбиений области в радиальном направлении, выберите в секции Size Controls строку Lines и нажмите кнопку Set. В появившемся окне нажмите Pick All. Далее в окне Element Sizes on Picked Lines поставьте 1 в поле "No. of element divisions". Нажмите ОК. Далее зададим количество разбиений области в угловом направлении, в секции Size Controls окна MeshTool нажмите Globl,set. В открывшемся окне в поле "No. of element divisions" установите значение 12. Нажмите ОК.

Разбиение на конечные элементы областей 1 и 4 в окне MeshTool в секции Mesh выберите Areas, Quad, Map, and 3/4 sided и нажмите Mesh. В графическом окне выберите области A5 и A3. Нажмите ОК. Перерисовываем изображение Utility Menu> Plot> Areas.

Далее установим параметры автоматического разбиения области 2, 3 и 5 на конечные элементы. В окне MeshTool установите галочку в поле Smart Size и устанавливаем ползунок в положение 2, значение 2 соответствует хорошей точности разбиения. В секции Mesh выберите Areas, Tri, and Free и нажмите Mesh.

Рис. 3. Разбиение модели на конечные элементы.

Когда сетка построена (рис. 3) приступаем к установке параметров катушки.

Main Menu> Preprocessor> Real Constants> Add/Edit/Delete в окне Element Type for Real Constants нажмите Add, далее выберите element type 2 и нажмите ОК. Установите следующие значения в полях: 2*s*s в поле «Coil cross-sectional area (CARE)», число витков N в поле «Total number of coil turns (TURN)», направление тока на нас значение 1 в поле «Current in z-direction (DIRZ)» и коэффициент заполнения катушки 0,9 в поле «Coil fill factor (FILL)». Нажмите ОК. Затем закройте окно Real Constants, нажмите Close. Далее закройте панель MeshTool, нажмите close.

Для сохранения нажмите SAVE_DB на панели ANSYS Toolbar.

Соединение токовых степеней свободы.

Utility Menu >Parameters> Scalar parameters. Задайте n1=node(2*s,s/2,0) Нажмите Accept. Нажмите Close.

Выберем элементы с материалом 2 Utility Menu>Select>Entites. Установите Elements, By Attribute, Material num и From Full установите значение 2 в поле Min,Max. Нажмите ОК. Далее выберем узлы элементов с материалом 2. Utility Menu>Select>Entites, установите Nodes, Attached to и нажмите Sele All. Нажмите ОК.

Объединяем степени свободы AZ и CURR для выделенных элементов

Main menu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>Couple DOFs нажмите Pick All. В поле Set reference number установите 1. В поле Degree-of-freedom label введите CURR и нажмите ОК.

Utility Menu> Select> Everything.

Задание начальных условий.

Установим цилиндрическую систему координат

Utility Menu> WorkPlane> Change Active CS to> Global Cylindrical. Далее выберем узлы принадлежащие внешнему радиусу 12*s, Utility Menu> Select> Entities выбираем Nodes , by location, x-coordinate в поле Min,Max установить значение 12*s. Нажмите ОК.

Присваиваем внешнему радиусу свойство бесконечно удаленной границы

MainMenu>Solution>Define Loads>Apply>Magnetic>Flag>Infinite Surf> on nodes

Нажмите Pick All.

Меняем систему координат Utility Menu > WorkPlane > Change Active CS to> Global Cartesian. Выделяем узел в начале координат Utility Menu>Select>Entites

Nodes , by location, x-coordinate, устанавите значение 0 в поле Min,Max, нажмите ОК.

Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Magnetic> Boundary> Flux Par'l> On Nodes. Нажмите Pick All.

Utility Menu> Select> Everything.

Выбираем тип анализа

Main Menu> Solution> Analysis Type> New Analysis. Установите значение Harmonic и нажмите ОК.

Устанавливаем потенциал на катушке Utility Menu>Select>Entites выбираем Elements, By Attributes и установите значение 2 в поле Min, Max,Inc. Далее

Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Magnetic> Excitation> Voltage Drop> On Elements. В открывшемся окне нажмите Pick All, далее в поле «Voltage drop mag (VLTG)» установите значение 50 и нажмите ОК.

Utility Menu> Select> Everything.

Задание частоты магнитного поля Main Menu> Solution> Load Step Opts> Time/Frequenc> Freq and Substps. В поле «Harmonic freq range» установите значение 1000. Нажмите ОК.

Запуск на решение

Main Menu> Solution> Solve> Current LS. После просмотра информации о решении, нажимаем ОК в появившемся окне с надписью “Solution is done” и закрываем окно.

Просмотр результатов

Main Menu> General Postproc> Read Results> First Set.

Вывод на экран распределения линий магнитной индукции (рис. 4).

Рис. 4. Просмотр результатов распределения линий магнитной индукции

Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> 2D Flux Lines. Параметр Number of contour lines установите в значение 27. Нажмите ОК

Просмотр результатов плотности тока в векторной форме (рис. 4).

Main Menu > General Postproc > Plot Results >Vector Plot > Predefined

В поле Vector item to be plotted выберите Flux & Gradient и Mag flux dens B. В поле Vector or Raster display выберите Vector Mode. Нажмите ОК.

Рис. 5. Просмотр результатов плотности тока в векторной форме

Просмотр модуля магнитной индукции (рис. 6).

Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot>Nodal Solu> Magnetic Force>

Magnetic Force vector sum. Нажмите ОК.

Рис. 6. Просмотр результата вычисления модуля магнитной индукции

Так как модель симметричная можем воспользоваться функцией создания объема (рис. 7).

Рис. 7. Просмотр результата вычисления модуля магнитной индукции в виде трех четвертей объема

Utility Menu> PlotCtrls>Style>Symmetry Expansion>2D Axi-Symmetric, выбираем поле «3/4 expansion». Нажмите ОК.[5]