Tìm hiểu phần mềm mô phỏng Maxwell

Mục lục MỞ ĐẦU A. Tổng quan về Maxwell 1. Maxwell là gì? 2. Các vấn đề chính được giải quyết B. Các ví dụ mô phỏng I. Magnetic Force II. Inductance Calculation III. Stranded Conductors C. Kinh nghiệm thu được D. Tài liệu tham khảo MỞ ĐẦU Maxwell là một phần mềm mô phỏng công nghiệp, được phát triển bởi Ansoftmột tập đoàn hang đầu trong lĩnh vực thiết kế các phần mềm mô phỏng. Vì vậy đề tài “ Tìm hiểu phần mềm mô phỏng Maxwell” giúp em có cơ hội học hỏi một phần mềm mô phỏng có nhiều ứng dụng to lớn trong công nghiệp. Trong đề tài này, em đã hiểu khái quát chức năng, cách cài đặt cũng như sử dụng phần mền. Em đã thực hiện một số ví dụ mô phỏng trên phần mềm và thu được kết quả tương đối chính xác. Tuy nhiên một số ví dụ mô phỏng cho kết quả có sai số tương đối lớn. Em sẽ cố gắng tìm hiểu và hoàn thiện trong thời gian tới. Em mong nhận được những đóng góp quý báu của các thầy. Em xin chân thành cảm ơn. A. Tổng quan về Maxwell 1. Maxwell là gì?

II. Inductance Calculation

III. Stranded Conductors

C. Kinh nghiệm thu được

D. Tài liệu tham khảo

MỞ ĐẦU

Maxwell là một phần mềm mô phỏng công nghiệp, được phát triển bởi

Ansoft-một tập đoàn hang đầu trong lĩnh vực thiết kế các phần mềm mô phỏng Vì vậy đề tài “ Tìm hiểu phần mềm mô phỏng Maxwell” giúp em có

cơ hội học hỏi một phần mềm mô phỏng có nhiều ứng dụng to lớn trong công nghiệp Trong đề tài này, em đã hiểu khái quát chức năng, cách cài đặt cũng như sử dụng phần mền Em đã thực hiện một số ví dụ mô phỏng trên phần mềm và thu được kết quả tương đối chính xác

Tuy nhiên một số ví dụ mô phỏng cho kết quả có sai số tương đối lớn Em sẽ

cố gắng tìm hiểu và hoàn thiện trong thời gian tới Em mong nhận được những đóng góp quý báu của các thầy

Em xin chân thành cảm ơn

A. Tổng quan về Maxwell

1. Maxwell là gì?

Maxwell là một phần mềm mô phỏng,được đánh giá là phần mềm mô phỏng trường điện từ hang đầu dành cho kĩ sư,chuyên về thiết kế và phân tích các thiết bị cơ và điện trường trong động cơ,bộ truyền động,máy biến áp,cảm biến và cuộn cảm Maxwell sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết các vấn đề liên quan tới trường điện,trường điện từ tĩnh trong miền tần số biến thiên (theo thời gian) Một ưu điểm nổi bật của Maxwell là tiến trình xử lí tự động tại những vị trí người dùng mong muốnđể tạo ra các vùng làm việc độc lập,đưa ra các đặc tính của vật liệu

để trích xuất dữ liệu ra bên ngoài Nhờ tính năng độc đáo này Maxwell có thể giải quyết vấn đề một cách hiệu quả bằng việc tạo ra mắt lưới phù hợp,với độ chính xác cao Điều này được chứng tỏ thông qua quá trình tương thích tự động của các mặt lạ,chúng sẽ phân tách các thành phần phức tạp thu được trong tiến trình xử lí,giúp các kĩ sư thuận lợi và dễ dàng trong khi thiết kế

Một đặc điểm nữa của Maxwell đó là khả năng phát hiện hifi,làm giảm các kiểu models cần phân tích thông qua phương pháp phân tích được ứng dụng trong Simplorer,một phần mềm mô phỏng hệ thống đa vùng của ANSYS Khả năng này cho phép tạo ra một dòng thiết kế điện từ mạnh mẽ,giúp người dung lien kết chính xác các mạch phức tạp với các models của Maxwell,tạo hiệu suất cao trong việc thiết kế các hệ thống cơ điện và điện công suất

2. Các vấn đề chính được giải quyết.

Các thành phần mà Maxwell giải quyết như:

- Trường tĩnh điện : Trường tĩnh điện,lực và momem xoắn,điện dung

gây ra bởi phân bố điện áp,chỉ vật liệu tuyến tính

- Trường dẫn một chiều : Điện áp,trường điện và mật độ dòng được

tính bởi điện thế Ma trận trở kháng.có thể thêm vào các vật liệu cách điện quanh dây dân để tính điện trường bao gồm cả vật cách điện

- Trường từ tĩnh: Trường từ tĩnh,momem xoắn,lực từ,cảm ứng từ gây

ra bởi dòng một chiều,trường điện tĩnh ngoài và nam châm Các vật liệu tuyến tính và phi tuyến tính

- Dòng điện xoáy: Trường điện từ biến đổi điều hòa,lực momem xoắn

và trở kháng gây ra bởi dòng xoay chiều trường từ dao động ngoại (chỉ vật liệu tuyến tính)

- Trường điện không ổn định

- Trường không ổn định

B. CÁC VÍ DỤ MÔ PHỎNG

I. Magnetic Forcevis

Ví dụ này được thiết kế nhằm cho ta hiểu được làm thế nào tạo ra phân tích từ trường của một nam châm vĩnh cửu để xác định lực tác dụng lên một thanh thép bằng cách sử dụng một bộ giải từ trong Maxwell Ansoft 3D

a. Tạo project

- Chọn File > New, chọn Insert Maxwell 3D Design để tạo mô phỏng

3D

- Chọn giải pháp Maxwell 3D > Solution Type, chọn Magnetostatic.

- Thiết lập đơn vị Modeler > Units, chon mm.

- Thiết lập vật liệu : Trên thanh công cụ, chọn select rồi chọn

Steel_1008.

b. Tạo lõi

- Vẽ một hình hộp Draw > Box, nhập tạo độ điểm bắt đầu X=0.0,

Y=0.0, Z=0.0 Nhập các thông số dX=10.0, dY=-30, dZ=10.0

- Sao chép khối hộp Edit > Dupluicate Along Line Nhập điểm bắt đầu

X=30.0, Y=0.0, Z=0.0 Nhập các thông số dX=10.0, dY=-30.0,

dZ=10.0

- Tạo lõi Draw > Box, vị trí X=0.0, Y=-30.0, Z=0.0 và dX=50.0, dY=

-10.0, dZ=10.0

- Đặt tên : Trong cửa sổ Properties chọn Attribute, ở hàng tên đổi

thành Core

c. Gộp các thành phần lõi

- Lựa chọn vật thể : Edit > Select All.

- Modeler > Boolean > Units.

d. Sao chép lõi

- Edit > Dupluicate Mirror, vị trí bắt đầu X=0.0, Y=10.0, Z=0.0 và

dX=50.0, dY=-10.0, dZ=10.0

e. Gộp các thành phần lõi

- Chọn Edit > Select All

- Gộp Modeler > Boolean > Units

f. Tạo thanh Bar

- Draw > Bow, vị trí hộp X=51.0, Y=10.0, Z=0.0 và dX=10.0,

- Loại bỏ phần thừa : Edit > Select > By Name Chọn Coil, Core.

- Thiết lập Modeler > Boolean > Subtract, Black Parts : Coil, Tool Parts : Core Chọn Clone tool object before subtracting

i. Lõi cách điện

- Để tạo một đường biên cách điện cho lõi nhằm tránh dòng dò Chọn

Edit > Select > By Name > Coil Chọn Maxwell 3D > Boundaries > Assign > Insulaating.

j. Thiết lập kích thích

- Chọn tấm vật thể 2D để kích thích Edit > Select > By Name > Coil, chọn miền tọa độ Modeder > Susface > Section, chọn XY.

- Tách rời vật thể Modeler > Boolean > Separate Bodies, xóa những

tấm phụ gần nhất với thanh, đặt tên cho những tấm càn lại

- Thiết lập kích thích Maxwell 3D > Excitations > Assign > Curent Nhập vào Name : Curent Value : c1, Type : Stranded Sử dụng Swap Direction để chọn chiều dương là chiều của trục Z Trong cửa

sổ Add Variable chọn 100A

k. Tính toán lực

- Chọn vật thể Edit > Select > By Name, chọn Bar.

- Tính toán lực Maxwell 3D > Parameters > Assign > Force >

Virtual.

l. Thiết lập vật liệu

- Chọn vật liệu NdFe35

m. Tạo nam châm

- Draw > Bow, vị trí bắt đầu X=0.0, Y=-5.0,Z=0.0 và dX=10.0,

dY=-20.0, dZ=10.0

- Trong cửa sổ Properties, mục Attribute chọn Magnet.

- Lựa chọn đối tượng loại bỏ Edit > Select > By Name, chọn

Magnet,Core.

- Chọn Modeler > Boolean > Subtract, chọn Black Parts : Core, Tool Parts : Magnet Chọn Clone tool object before subtracting.

n. Tạo hướng nam châm

- Tạo hệ trục Edit > Select > Faces Chọn mặt trên của tấm nam châm, chọn Modeler > Coordinate System > Create > Face CS, nhập tọa

độ tâm X=10.0, Y=-5.0, Z=10.0 và dX=0.0, dY=-20.0, dZ=0.0

- Thay đổi đặc tính Maxwell 3D > List Trong cửa sổ List chọn hàng Magnet, chọn Properties, trong cửa sổ mới xuất hiện, mục

- File > Save As Chọn tên Maxwwell_ms_Magforce.

s. Phân tích đối tượng

- Xác nhận vật thể Maxwell 3D > Validation Check.

- Phân tích Maxwell 3D > Analyze All.

t. Dữ liệu

- Để xem dữ liệu Maxwell3D > Results > Solution Data, chọn Tab Profile và Convergence để xem.

u. Mật độ năng lượng trong phần Core Cross

- Chọn đối tượng Edit > Select > By Name, chọn Bar, Core, Magnet.

- Chọn Modeler > List > Create > Object List > Objectlist1

- Trên cây lịch sử, mở rộng Planes, chọn Flield Overlays > Fields > B

> B_vector

- Chọn B_vector và Objectslist1.

v. Vẽ mật độ chảy trên tiết diện của lõi

- Lựa chọn vật thể Maxwell 3D > Optimetrics Analysis > Add

Parametric Tại Tab Sweep Definition chọn Add

- Trong Select Variable nhập c1

- Chọn Linear Step

- Nhập Start : 0A, Stop : 500A, Step : 100

- Trong hộp thoại Options chọn Save Fields and Mesh.

- Phân tích thông số quét : mở rộng cây Project > Optimetrics, kích chuột phải vào ParametricSetup1 và chọn Analyze.

- Để xem kết quả Maxwell 3D > Optimetrics Analysis > Optimetrics Results, chọn tab Profile để xem.

w. Vẽ đồ thị của lực ở mỗi dòng điện

- Tạo một báo cáo Maxwell 3D > Results >Create Magnetostatic Report > Rectangular Plot, chọn Solution : Setup1 : LastAdaptive, Paramater : Force 1 Trong tab Trace, chọn Category : Force, Quantity: Forec_x, Funciton :<none>, chọn New Report.

Kết quả thu được :

Đồ thị lực ở mỗi dòng điện.

Mật độ dòng chảy trên tiết diện ở mỗi dòng khác nhau.

II. Inductance Calculation

- Công thức tính:

I = L11.I1 + L12.I2 + …

+Trong đó:

L12 là hệ số hỗ cảm của cuộn dây 1 đối với cuộn dây 2( nghĩa là khi có dòng I2 chạy trong cuộn 2 biến thiên thì sẽ sinh ra dòng điện I’= L12.I2 chạy trong cuộn 1).

L11 còn gọi là hệ số tự cảm

- Hệ số tử cảm(hay hỗ cảm) phụ thuộc vật liệu, có vật liệu phi tuyến và tuyến tính, đối với vật liệu phi tuyến thì hệ số tử cảm(hay hỗ cảm) sẽ phụ thuộc vào dòng điện chạy trong cuộn dây

3 Sử dụng Maxwell để mô phỏng và tính toán

a Chúng ta mở Maxwell và tạo mô hình trong đó

b Nhập số liệu đầu vào

- Cho dòng 3 pha chạy vào 9 cuộn dây ( 3 cuộn trên cùng 1 cột sẽ chạy 1 pha)

- Các cuôn dây ở cột đầu tiên cho Pha A chạy vào, cột ở giữa là Pha B, cột còn lại

là Pha C

- Giá trị dòng điện ở các pha A, B , C lần lượt là -0.5*Mag, Mag, 0.5*Mag và nhập giá trị của Mag là 30A

- Ta cài đặt một số thông số cho các cuộn dây và các Pha:

c Chạy mô phỏng

4 Một số kết quả thu được

III. Stranded Conductors

Ví dụ này được thiết kế và phân tích một vấn đề về lực từ trong trường hợp dây dẫn bị mắc kẹt một cách cố ý bằng bộ giải từ trong Maxwell 3D

Lí thuyết : giải quyết vấn đề từ tính

Khi sử dụng Solver Magnetostatics, với các nguồn hiện tại, Ta gỉa định các điều kiện sau:

- Dòng mật độ phân bố đồng đều trên mặt cắt ngang của thiết bị đầu cuối

- Hướng của dòng điện được chỉ như trên thiết bị đầu cuối Thay đổi hướng bằng cách sử dụng Swap Direction

- Người giải không biết cuộn dây có bao nhiêu vòng nên giá trị sử dụng chỉ là đại diện cho tổng cường độ dòng điện- số vòng

- Giá trị Ampere_Turns sử dụng để xác định nguồn hiện tại được sử dụng để tính toán mật độ dòng hiện tại, theo phương trình :

đó H là từ trường

a. Tạo Project

- Trên cửa sổ Ansoft Maxwell chọn File > New

- Từ menu Project chọn Insert Maxwell Design

- Maxwell > Solution Type > Magnetostatic.

- Thiết lập đơn vị : Modeler > Units > mm.

- Thiết lập vật liệu : Trên thanh công cụ 3D Modeler Materials chọn Select Trong cửa sổ Definition chọn Steel.

b. Tạo Rotor ( trục quay ).

- Draw > User Defined Primitive > Sislib > Rmxprt > SRMCore

- Trong cửa sổ Create User Defined Primitive nhập :

- Trong Properities chọn Attribute đổi tên thành Rotor.

- View > Fit All > Active View

c. Tạo Stator và cuộn

- Draw > User Defined Primitive > Sislib > Rmxprt > SRMCore

- Trong cửa sổ Create User Defined Primitive nhập :

EndExt : 1

InfoCore : 1

- Trong Properities chọn Attribute đổi tên thành Stator.

- View > Fit All > Active View.

- Tách riêng các bộ phận : Edit > Select > By Name > Stator.

- Modeler > Boolean > Separate Bodies

d. Xử lí cuộn dây

- Edit > Select > By Name trong cửa sổ mới chọn Stator _2,Stator_3, Stator_4, Stator_5, Stator _6,Stator _7,Stator_8.

- Xóa cuộn dây Edit > Delete

e. Tạo thiết bị đầu cuối

- Edit > Select > By Name > Stator_1

- Mục Object : Modeler > Subface > Section Mục Place chọn XY.

- Separate Bodies : Modeler > Boolean > Separate Bodies.

- Delete : Edit > Delete

- Section Coil : Edit > Select > By Name > Section_1

- Thiết lập kích thích : Maxwell > Excitations > Assign > Curent, trong Curent Excitation chọn General :

f. Thay đổi thuộc tính

- Maxwell > List > chọn hàng Stator_1 > Properties :

Name : Coil

Material : Copper

- Chọn hàng của Section1 > Properties :

Name : Terminal

g. Tạo bản sao của Coil và Terminal

- Edit > Select > By Name > Coil,Terminal

- Tạo bản sao : Edit > Duplicate > Around Axis, trong cửa sổ Duplicate Around Axis chọn :

- Trong cửa sổ Segment Number chọn 12

- Trong Properties Window > Attribute :

Name : Region

Chọn Display Wireframe

- Tắt hiển thị : View > Hide Selection > Active View

- View > Fit All > Active View

- File > Save As > Maxwell_ms_relmotor

Một số kết quả thu được :

C. Kinh nghiệm thu được

 Biết cách cài đặt, sử dụng các chức năng của phần mềm

 Tìm hiểu và cải thiện vốn tiếng Anh chuyên ngành trong quá trình tìm hiểu về phần mềm

 Mô phỏng được toàn bộ các ví dụ ứng dụng Maxwell 3D, cho kết quả khá chính xác

 Tự khắc phục một số lỗi trong quá trình thực hiện mô phỏng các ví dụ

các ví dụ 3D, gặp phải một số lỗi khi thực hiện Analyze All, chưa khắc phục được

D. Tài liệu tham khảo

1. completeMaxwell3D_V12, Maxwell Ansoft

2. Ansoft_Maxwell-2D-V12-UserGuide, MaxwellAnssoft

3. Htt;p://www.advantech.vn