Pentru modelarea și simularea 2D și 3D în domeniul mașinilor electrice rotative, ANSYS oferă instrumentele de analiză de câmp electromagnetic de joasă frecvență ANSYS Maxwell și ANSYS RMxprt. Acestea utilizează două metode: calcul analitic și metoda elementului finit pentru analize magnetostatice, electrostatice și tranzitorii.

Capabilități ANSYS RMxprt

Permite calculul analitic a performanțelor mașinilor electrice rotative, utilizând teoria clasică și analitică a motoarelor/generatoarelor și metodelor circuitelor magnetice echivalente.

Conține modele predefinite pentru crearea următoarelor tipuri de mașini electrice rotative:

• mașini sincrone cu reglare de viteză;
• motoare de curent continuu cu magneți permanenți fără perii;
• alternatoare cu poli tip gheară;
• mașini generice de curent continuu;
• mașini rotative generice;
• motoare sincrone cu magneți permanenți;
• motoare de curent continuu cu magneți permanenți;
• motoare de inducție monofazate;
• motoare de inducție trifazate;
• mașini sincrone trifazate cu poli aparenți;
• mașini sincrone trifazate cu poli înecați;
• motoare pas cu pas cu reluctanța variabilă;
• motoare universale;

Exemple de modele de mașini electrice rotative în ANSYS RMxprt

În funcție de tipul de mașină studiat, realizează calcule de performanță precum:

• Inducțiile în tolele stator și rotor;
• Curenți de excitație;
• Consumuri de materiale;
• Randament;
• Parametri de regim tranzitoriu;
• Rezistente, reactanțe și constante de timp în regim tranzitoriu pe axele D și Q;
• Distorsiuni totale armonice (THD);
• Curenți de excitație;
• Pierderi în fier, pierderi în cupru, pierderi mecanice, pierderi totale;
• Cupluri nominale;
• Întrefier minim și maxim; densitate de flux în întrefier;

Permite reprezentarea grafică a:

• Caracteristicilor de funcționare la mers în gol și în sarcină;
• Tensiunilor induse de faza și de linie;
• Curbelor în ''V'';
• Curbelor de variație a curentului;
• Curba curentului de scurtcircuit;
• Căderea de tensiune în gol;

Programul face recomandări cu privire la parametrii inițiali, este posibilă rularea a unui număr mare de analize succesive.

Capabilități ANSYS Maxwell

Utilizează metoda elementelor finite (MEF) pentru a soluționa analize statice și tranzitorii de câmp electromagnetic.

Realizează simularea câmpului electromagnetic și analiza 2D și 3D a dispozitivelor electromecanice și electromagnetice, precum și a motoarelor, dispozitivelor de acționare, transformatoarelor, senzorilor și bobinelor.

Crează automat geometria 2D sau 3D a motoarelor și generatoarelor parametrizate în RMxprt și de asemenea preia și datele de intrare necesare unei analize tranzitorii.

Permite soluționarea rapidă a problemei, adaptată tipului de analiză ales, fiind necesară doar definirea geometriei, a proprietăților de material și a condițiilor de frontieră.

Permite vizualizarea distribuției spațiale (atât în 2D cât și în 3D) a :

• intensității câmpului magnetic și electric;
• densității de câmp magnetic și electric;
• inducției magnetice și electrice;
• liniilor de flux magnetic și electric;
• vectorilor de camp magnetic și electric;
• curenți, tensiuni, puteri;
• forte, cupluri;
• matrici de impedanțe, admitanțe și inductanțe;
• pierderilor histerezis, totale, de curenți turbionari;

Modele de geometrii realizate cu ANSYS Maxwell

Exemplu de model 2D în ANSYS Maxwell

Exemplu de model 3D în ANSYS Maxwell

Motoare electrice

Inginerii care proiectează mașini electrice au nevoie de instrumente de simulare care pot fi utilizate pentru dezvoltarea rapidă și precisă a produselor. Prin utilizarea metodelor cu elemente finite la începutul procesului de proiectare, ele pot accelera dezvoltarea și pot obține o eficiență sporită a mașinii folosind mai puțin material, ceea ce reduce costurile. În plus, pentru a realiza un design optim al motorului, este nevoie de un flux complet de analiză multifizică. Presupunând că mașina va rămâne în intervalul de funcționare dorit, poate duce la opțiuni de proiectare proaste, reproiectarea cu întârziere a ciclului de dezvoltare sau defectarea produsului. Prin instrumentele de design ale mașinii electrice, ANSYS oferă un laborator complet de prototipuri virtuale pentru proiectarea și dezvoltarea mașinilor.

Motor de inducție trifazat (Studiu de caz)

Motoarele de inducție au fost utilizate în trecut în domenii largi de aplicare, de la aplicații industriale la aplicații de uz casnic, unde motorul este acționat prin trecerea unui curent de inducție către un conductor secundar de către câmpul magnetic rotativ al unei înfășurări a statorului, iar rotorul primește puterea în direcția de rotație prin curenții săi și câmpul magnetic rotativ. Motorul are o structură simplă și avantajele de a fi de dimensiuni mici, de greutate scăzută, și mai ieftin de întreținut.

Ca răspuns la creșterea prețului magneților din pământuri rare din ultimii ani, cercetarea a avansat in scopul dezvoltarii motoarelor de inducție care sunt de dimensiuni reduse și au o producție ridicată și o eficiență ridicată, care vizează nevoile similare cu cele ale unui  motor sincron cu magneti permanenti, dar fiind un model de motor care nu utilizează un magnet permanent. Evaluarea și înțelegerea caracteristicilor de înaltă precizie, utilizând un instrument de analiză a câmpului electromagnetic, sunt benefice în proiectarea și dezvoltarea unor astfel de motoare de inducție de înaltă performanță.

Formele de undă ale curentului și cuplului motorului trifazat cu inducție

Rezultate obținute cu ANSYS Maxwell

Forma de undă a curentului la motorul de inducție trifazat

Forma de undă a cuplului de torsiune la motorul de inducție trifazat

Distribuția câmpului magnetic a motorului de inducție trifazat

Densitatea fluxului magnetic

Diagrama fluxului magnetic

Distribuția densității de curent

Distribuția pierderilor de fier in miez (media timpului)

Vectorul densității fluxului magnetic

Viteza - cuplul, puterea, eficiența și caracteristicile factorului de putere ale unui motor de inducție trifazat

Rezultate obținute cu ANSYS RMxprt