Одна из самых популярных отечественных программных систем для моделирования электромагнитных полей и решения сопряженных задач - ELCUT версии 6.6. - интегрирована в Цифровую платформу по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench® (далее - ЦП «CML-Bench®»). Благодаря этому цифровая платформа CML-Bench® расширяет свои возможности в части моделирования низкочастотной электротехники.
ELCUT – российская разработка компании «Тор», программная система, предназначенная для моделирования электромагнитных, тепловых и упругих полей методом конечных элементов. Наибольшее применение данное программное обеспечение находит в области разработки и проектирования электромагнитных устройств, медицинской аппаратуры, а также в области строительной теплофизики для расчета теплозащиты ограждающих конструкций и фундаментов.
Длительное время программа предназначалась только для расчета двухмерных полей, однако, начиная с версии ELCUT 6.0 начала поддерживать расчет трехмерных полей, от версии к версии наращивая спектр функциональных возможностей и увеличивая перечень модулей, позволяющих работать в трехмерной постановке.
С июля 2023 года решатель программного обеспечения ELCUT версии 6.6 интегрирован в цифровую платформу по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench®. Являясь одним из самых популярных отечественных ПО для моделирования электромагнитных полей и решения связанных задач, ELCUT расширяет сферу применения платформы CML-Bench® в части моделирования низкочастотной электротехники.
Интеграция решателя ELCUT 6.6 в платформу CML-Bench® осуществлена на базе исследовательской задачи по разработке линейного генератора для преобразования энергии приливов, показанного на рисунке 1.
ELCUT – российская разработка компании «Тор», программная система, предназначенная для моделирования электромагнитных, тепловых и упругих полей методом конечных элементов. Наибольшее применение данное программное обеспечение находит в области разработки и проектирования электромагнитных устройств, медицинской аппаратуры, а также в области строительной теплофизики для расчета теплозащиты ограждающих конструкций и фундаментов.
Длительное время программа предназначалась только для расчета двухмерных полей, однако, начиная с версии ELCUT 6.0 начала поддерживать расчет трехмерных полей, от версии к версии наращивая спектр функциональных возможностей и увеличивая перечень модулей, позволяющих работать в трехмерной постановке.
С июля 2023 года решатель программного обеспечения ELCUT версии 6.6 интегрирован в цифровую платформу по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench®. Являясь одним из самых популярных отечественных ПО для моделирования электромагнитных полей и решения связанных задач, ELCUT расширяет сферу применения платформы CML-Bench® в части моделирования низкочастотной электротехники.
Интеграция решателя ELCUT 6.6 в платформу CML-Bench® осуществлена на базе исследовательской задачи по разработке линейного генератора для преобразования энергии приливов, показанного на рисунке 1.
В силу наличия осевой симметрии задача решается в осесимметричной постановке. В программной системе ELCUT за ось симметрии принимается ось Z, поэтому вся расчетная область должна строго располагаться в верхней полуплоскости, как показано на рисунке 2. Модель состоит из неподвижной части с трехфазной обмоткой, а также подвижной части с постоянными магнитами с радиальным намагничиванием. Для увеличения потокосцепления обмотка расположена в пазах, а магниты зафиксированы на магнитном сердечнике.
В линейных генераторах в силу непериодичной геометрии активной части велико влияние краевых эффектов. Фазы обмотки находятся в разных магнитных условиях, что выражается в разном потокосцеплении. Кроме того, размещение обмотки в пазу создает силу залипания при смещении постоянных магнитов, что также требуется учитывать при проектировании. Для количественной оценки обозначенных процессов создана компьютерная модель холостого хода линейного генератора.
В разработанной модели отсутствуют токи в обмотке статора. Для сердечников неподвижной и подвижной частей задана кривая насыщения B-H электротехнической стали. В постоянных магнитах вектор намагниченности задан согласно рисунку 2.
Для решения задачи расчетная область разбивается на конечные элементы (КЭ). Процесс разбиения автоматизирован, но инженер может указывать характерные размеры ячейки в узлах геометрии. Таким образом осуществлено требуемое сгущение КЭ сетки в области воздушного зазора и в непосредственной близости от активной части, как показано на рисунке 3. Полученная сетка состоит из ~ 500 000 конечных элементов. На внешней границе, расположенной на достаточном удалении от расчетной области, поставлено граничное условие нулевого магнитного потенциала A = 0. Граничное условие на ось симметрии присваивается автоматически.
В разработанной модели отсутствуют токи в обмотке статора. Для сердечников неподвижной и подвижной частей задана кривая насыщения B-H электротехнической стали. В постоянных магнитах вектор намагниченности задан согласно рисунку 2.
Для решения задачи расчетная область разбивается на конечные элементы (КЭ). Процесс разбиения автоматизирован, но инженер может указывать характерные размеры ячейки в узлах геометрии. Таким образом осуществлено требуемое сгущение КЭ сетки в области воздушного зазора и в непосредственной близости от активной части, как показано на рисунке 3. Полученная сетка состоит из ~ 500 000 конечных элементов. На внешней границе, расположенной на достаточном удалении от расчетной области, поставлено граничное условие нулевого магнитного потенциала A = 0. Граничное условие на ось симметрии присваивается автоматически.
Рисунок 3 – Разбиение на конечные элементы
Для получения зависимости потокосцепления обмоток с полем магнитов в зависимости от положения подвижной части генератора используется утилита LabelMover, входящая в программное обеспечение ELCUT. LabelMover позволяет проводить параметрические исследования в модели при изменении геометрии. В данной задаче варьировалось положение подвижной части генератора по оси Z ±30 мм с шагом 1 мм и регистрировались потокосцепления с фазой, а также тангенциальная компонента силы Fz, действующей на подвижную часть генератора.
Расчет проводился с помощью SPDM-системы CML-Bench®, как показано на рисунке 4. Неоспоримым преимуществом Simulation Processes and Data Management (SPDM) систем является полная прозрачность процесса разработки изделия, повторяемость и воспроизводимость выполненных расчетов, версионность используемых моделей, контроль доступа участников разработки, а также возможность одновременной работы над проектом распределенных команд в удобное им время. Кроме того, SPDM-система позволяет настроить использование доступных вычислительных мощностей с максимальной эффективностью.
Расчет проводился с помощью SPDM-системы CML-Bench®, как показано на рисунке 4. Неоспоримым преимуществом Simulation Processes and Data Management (SPDM) систем является полная прозрачность процесса разработки изделия, повторяемость и воспроизводимость выполненных расчетов, версионность используемых моделей, контроль доступа участников разработки, а также возможность одновременной работы над проектом распределенных команд в удобное им время. Кроме того, SPDM-система позволяет настроить использование доступных вычислительных мощностей с максимальной эффективностью.
Процесс запуска модели на расчет осуществляется в несколько этапов. Компьютерная модель настраивается на локальном компьютере пользователя, в процессе чего задаются свойства материалов, настройки сетки конечных элементов, указание параметров для экспорта в результате расчета. После настройки модели файлы запуска подгружаются пользователем на платформу CML-Bench®. Для решателя ELCUT основным исполняемым файлом является .pbm, остальные файлы добавляются как группа (.mod – файл модели, .dms – файл физических свойств, а также, при необходимости .qlm – файл LabelMover, .qcr – файл внешней электрической цепи). Затем расчетный вариант направляется на исполнение, в результате чего на платформе CML-Bench® в разделе результатов сохраняется файл решения .res, а также формируется раздел основных результатов постпроцессинга, для данной задачи продемонстрированный на рисунке 5.
Единожды настроив расчетную цепочку, включающую в себя препроцессинг, решение, постпроцессинг, пользователь платформы CML-Bench® может проводить регулярные типовые расчеты (там, где это требуется) в автоматизированном режиме.
Единожды настроив расчетную цепочку, включающую в себя препроцессинг, решение, постпроцессинг, пользователь платформы CML-Bench® может проводить регулярные типовые расчеты (там, где это требуется) в автоматизированном режиме.
Рисунок 5 – Просмотр результатов на платформе CML-Bench® в программной системе ELCUT 6.6
Результаты математического и компьютерного моделирования холостого хода генератора показаны на рисунке 6. Из представленных результатов видно, что потокосцепление с фазой C оказывается большим, чем с остальными фазами из-за отличий магнитного положения. Для обеспечения электрической симметрии обмоток требуется подбирать схему обмотки неподвижной части и параметры обмотки статора генератора, например, увеличивая число пазов. Сила залипания в пике достигает 70 Н. Для ее снижения необходимо варьировать ширину и высоту шлица, а также геометрические размеры магнитов.
Рисунок 6 – Результаты моделирования
Кроме анализа картин полей, как показано на рисунке 7, ELCUT позволяет определять гармонический состав кривых. Для исследования индукции в зазоре задан контур на середине воздушного зазора длиной, соответствующей полюсному делению генератора. Результаты разложения индукции на гармоники продемонстрированы на рисунке 8.
Таким образом, ПО ELCUT является одним из самых популярных отечественных программных решений для моделирования электромагнитных процессов в низкочастотной области. Благодаря его простоте и интуитивно понятному использованию интерфейса освоение инженером с нуля занимает минимальное время. Программная система ELCUT является важным и востребованным элементом цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench®, к которой на текущий момент успешно осуществлено подключение порядка 150 лицензий и версий программных модулей-решателей различных CAE-систем.
Таким образом, ПО ELCUT является одним из самых популярных отечественных программных решений для моделирования электромагнитных процессов в низкочастотной области. Благодаря его простоте и интуитивно понятному использованию интерфейса освоение инженером с нуля занимает минимальное время. Программная система ELCUT является важным и востребованным элементом цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench®, к которой на текущий момент успешно осуществлено подключение порядка 150 лицензий и версий программных модулей-решателей различных CAE-систем.
Рисунок 8 – Гармонический анализ индукции в зазоре
